涂层钛电极的制备及其降解废水中硝基苯的研究

发布时间：2020-08-08 03:39

【摘要】：通过向形稳电极(Dimensionally Stable Anodes, DSA)涂层中添加Pd、Co、Si元素,并引入Sn-Sb中间层,对RuO2/Ti电极进行改性,以提高电极的电化学性能和使用寿命；利用改性电极对难生化降解的硝基苯(Nitrobenzene, NB)进行电催化氧化处理,确定了不同DSA电极作为阳极降解NB时,各电催化氧化系统的最佳反应参数；对各改性电极的电化学性能及其对有机物的去除效率进行基础理论和应用研究,为电催化氧化技术在水处理领域的进一步应用提供技术支撑。 制备了Sn-Sb/Ti电极及Ru-Pd/Ti、Ru-Pd-Co/Ti、Ru-Si/Ti钌系改性电极,通过考察各电极涂层微观形貌、电化学性能、涂层摩尔浓度、稳定性及其对NB去除效率,确定了各电极涂层的烧结温度分别为500℃、450℃、400℃、500℃；电极涂层组分配比分别为n(Sn):n(Sb)=7.2:1、n(Ru):n(Pd)=0.65:1、n(Ru):n(Pd):n(Co)=0.65:1:0.71、n(Ru):n(Si)=7：3；电极涂层涂敷次数分别为15次、24次、21次、21次。 Pd、Co、Si添加后,通过不同的途径对Ru02/Ti电极进行改性,并对电极的电化学性能及使用寿命产生不同影响。根据电化学性能测试及NB降解实验证明,改性电极较RuO2/Ti电极具有更高的电化学性能及更长的使用寿命。 向改性电极中引入Sn-Sb中间层,制备了Ru-Pd/Sn-Sb/Ti、Ru-Pd-Co/Sn-Sb/Ti. Ru-Si/Sn-Sb/Ti电极。当中间层涂敷5次,各电极表层涂敷次数分别为18次、21次、21次时,电极具有最长使用寿命；Sn-Sb中间层的引入能进一步提高改性电极的电化学性能和使用寿命,并能提高电极对NB的去除效果。 通过水处理实验确定各电极作为阳极时电催化氧化系统的最佳反应时间、电流密度、电解质浓度、溶液初始pH值及极板间距等反应参数；确定本反应体系适合高浓度有机废水的处理；确定Na2SO4较NaCl更适合作为本反应体系的支持电解质；证明Sn-Sb中间层的引入有利于提高电极对NB及TOC的去除率；本反应体系能将废水中的部分污染物彻底降解矿化为H2O和CO2。各电极对NB及TOC的去除率分别为：(DSn-Sb/Ti电极：ENB90%, ETOc80%;②Ru-Pd/Sn-Sb/Ti电极：ENB90%, EToc50%;③Ru-Pd-Co/Sn-Sb/Ti电极：ENB85%,ETOC50%;④Ru-Si/Sn-Sb/Ti电极：ENB80%,Eroc50%。 考察NB电催化氧化降解过程,确定NB的电催化氧化过程是阴阳两极协同作用的结果,NB降解过程中除了有阳极的氧化作用外,还存在阴极的还原过程。本论文中改性电极作为阳极时,反应体系内NB的降解符合一级动力学方程。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X703
【图文】：

无机化[4’]。在电化学过程中，阳极会发生水分解析出氧气的副反应[42j，增加能耗并降低电流效率，造成活性基团的产生减少，削减了有机物的降解效果。析氧反应不可避免，但是能通过选择合适的电极材料加以抑制。阳极对有机物的直接氧化过程如图1.1所示。电子有机污染物\l/\产物阳极图1.1有机物在阳极上的直接氧化过程 Fig1.1DiagramoforganiesdireetoxidationProeessontheanode在直接氧化过程中，发生反应的主要区域为电极表面，因此有机物的降解过程主要取决于有机物在电极表面的吸附和电子转移情况[43]，依赖于电极表面性质、有机物的种类[441及浓度;而有机物在金属氧化物阳极上的氧化反应机理和所形成的产物同阳极表面金属氧化物的种类和金属氧化物的价态有关I’“]。现有的研究表明，在析氧电位区，金属氧化物电极表面可以形成两种含有活性氧的金属氧化物:一种是吸附·OH的金属氧化物;另一种是高价态的金属氧化物MOx+1。金属阳极表面氧化过程可以分为三个步骤[45礴71:(l)溶液中的HZO(酸性介质中)或OH一(碱性介质中)，在阳极表面放电形成吸附的·OH，过程如下:力吟义+HZO峥九们戈(.口万 )+H++e(1.1)人刃工十口万一今力口r(.口厅 )+e(1.2)(2)如果吸附态·OH能与氧化物阳极发生快速氧化反应，氧从·OH上迅速转移到氧化物阳极的晶格上形成高价氧化物MOx+，。初p戈(.口刀)。初口 r+:+H++e(1.3)(3)当溶液中不存在有机物时

物的选择性氧化过程:几狱+，+R分九六，二+Ro上述过程可以用图1.2表示147一49j。 (1.6) (1.7)与有机 (1.8)l左02H++fM仇(‘OH图1.2有机物在氧化物电极表面电化学转俗燃烧过程示意图 Fig1.2Diagramoforganieseleetroehemicaleonvention/eombustiononthes”rfaeeofelectrode式 (1.6)和式 (l.8)即电化学转化过程，是可逆过程;式 (l.7)即电化学燃烧过程四」，是非可逆过程。式(1.3)和式(1.8)又称为媒介电化学氧化 (MediatedEleetroehemiealOxidation，MEo)过程150一52]，是指在常温常压下，活性金属氧化物在电化学作用下形成高价态(或强氧化态)的媒介物质，再利用这些媒介物质的强氧化性并在电化学的作用下，催化降解废水中的有机物，而高价态的媒介物质又被还原成原来的价态，这个过程周而复始而达到去除废水中污染物的目的。这类可逆氧化一还原电子对一般产生速率快、对目标污染物有较好的选择性、与污染物反应速率快，常见的可逆氧化还原电子对有 Ce(Iv)/Ce(III)、Ag(11)/Ag(I)、Co(111)/Co(11)、Fe(111)/Fe(11)、Cu(11)/Cu(I)、Mn(111)/Mn(11)、Ru(Vlll)/Ru(IV)、Cr(Vl)/Cr(111)/Cr(11)等I

在催化氧化反应过程中，电极表面可以产生一些具有强氧化活性的中间产物，如·OH、OCI一、HZOZ、03等，这些中间产物参与对污染物的氧化，加快污染物转化为其它物质或降解去除，该反应过程不可逆。阳极对有机物的间接氧化过程如图1.3所示。电子有机污染物\l/\中l可体\氧化剂氧化剂//\产物阳极图1.3有机物在阳极上的间接氧化过程 Fig1.3Diagramoforganiesindirectoxidationproeessontheanode间接电催化氧化反应过程中产生的活性中间产物根据电极材料、水体中存在离子种类、电催化氧化反应参数的不同而产生区别，这些活性中间产物部分具有强氧化性，能够将水体中的有机污染物进行无选择性地降解、矿化，产物较彻底，属于电化学燃烧范畴。3.2.1产生·OH强氧化剂·OH的氧化电位高于普通氧化剂，其对有机物的降解属于高级氧化技术范畴，·OH通过对有机物脱氢、亲电子和电子转移，形成活化基团，产生一系列链反应，使有机物迅速、彻底降解。在这个过程中，电极材料的性质起到了决定性作用〔叫。‘OH可以由以下途径【’‘，45

【参考文献】

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本文编号：2784988