粒子电极的制备及三维电催化体系降解苯并噻唑的研究

发布时间：2017-08-06 13:04

  本文关键词：粒子电极的制备及三维电催化体系降解苯并噻唑的研究

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【摘要】：三维电催化氧化技术因其处理效率高、降解速度快、不产生二次污染等优点引起广泛关注,为难降解有机废水的处理提供了新的解决途径。本研究采用三维电催化氧化技术降解苯并噻唑,以自制的Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC为粒子电极填充于三维电催化反应器中,并考察了反应器电极型式、电极间距、外加电压、粒子电极填充比例等反应器结构参数和进水pH、电解质种类及浓度、序批式反应器的进水时间和电催化时间等工艺运行参数对苯并噻唑降解效能的影响。同时,探讨了三维电催化反应体系中苯并噻唑的降解机理,可为实际工程处理兼具苯环和杂环复杂结构的难降解有机污染物提供理论上的指导。采用Fe(NO3)3溶液浸渍法制备并优化Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC粒子电极,实验发现最佳的浸渍条件是浸渍时间为18h、浸渍浓度为0.74mol/L,此时对应的TOC去除率较高为66.7%、铁离子溶出浓度最低为9μg/L。分析评价Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC粒子电极的吸附性能和催化性能,并与活性炭(AC)颗粒进行对比。室温条件下,活性炭和Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC粒子电极吸附体积为2L、初始浓度为100mg/L的苯并噻唑溶液的吸附量分别达到4.68mg/g和5.89mg/g。容积为500mL的三维电催化反应器处理初始浓度为100mg/L的苯并噻唑溶液,在外加电压为10v、电极间距为4cm、改性粒子电极填充比为60%、0.1mol/L的NaCl为电解质溶液的条件下反应2h,改性粒子电极反应体系的TOC去除率达到66.7%,比活性炭反应体系的TOC去除率高出了23.4%。Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC粒子电极较于AC在吸附性能和电催化性能方面均有提高。其中,吸附能力上的提高主要取决于孔道结构的变化和表面化学性质的变化。根据吸附动力学的结果表明,化学吸附速率远大于物理吸附速率,说明化学吸附在苯并噻唑的吸附过程中起主要作用。而电催化能力上的提高主要取决于其表面负载的含铁催化剂,Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC粒子电极的活化能为261KJ/mol,较于AC的活化能383KJ/mol降低了32%,使得反应体系的电化学反应更易发生。设计构建了序批式三维电催化反应器,考察苯并噻唑的去除率、反应体系矿化度、电流效率和电能能耗等从而确定最佳结构参数和运行参数。最佳结构参数:电极型式为阳极在中心、阴极环围阳极的型式,电极间距为4.24cm,外加电压为9.9V,Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC粒子电极填充比例为60%。此时,TOC去除率的最大预测值为98.2%。最佳运行参数:0.1 mol/L的NaCl作为电解质溶液,进水pH为7,进水时间为30 min,电催化反应时间为3 h。此时,苯并噻唑完全被降解,反应体系的矿化率达到92.0%,矿化电流效率为5.99%,能耗为13.00 KW·h/kg COD;同时,Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC反应体系的开路电位、析氧电位和阻抗均高于AC反应体系,说明Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC反应体系的耐腐蚀程度高、发生副反应少并且短路电流少,电化学性能方面有较好的改善。分析研究三维电催化反应体系中苯并噻唑的降解机理,得到苯并噻唑电催化降解的主要中间产物为2-甲基亚磺酰基苯胺和2-甲基磺酰基苯胺,根据LC-MS检测出的有机中间产物推断出苯并噻唑有两种降解途径。主要的气相产物为CO2,占气体体积的90%。主要的离子态产物为SO42-和NO3-,离子浓度分别为20mg/L和10mg/L,根据化学质量守恒定律计算可知,苯并噻唑基本上完全矿化,反应体系的降解效果良好。
【关键词】：序批式三维电催化反应器 苯并噻唑 吸附 电催化降解
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-30
• 1.1 课题背景11-12
• 1.2 难降解有机废水的处理现状12-16
• 1.2.1 物化法12-14
• 1.2.2 生物法14-16
• 1.3 电催化氧化技术的研究与应用16-21
• 1.3.1 电催化氧化技术原理16-19
• 1.3.2 电催化反应器的分类19-20
• 1.3.3 三维电催化技术的应用现状20-21
• 1.4 复极性粒子电极的研究21-26
• 1.4.1 复极性粒子电极的作用21-24
• 1.4.2 粒子电极的研究现状24-26
• 1.5 三维电催化技术存在的问题和发展方向26-27
• 1.5.1 存在的问题26-27
• 1.5.2 发展方向27
• 1.6 研究目的和内容27-29
• 1.6.1 课题来源27-28
• 1.6.2 课题目的和意义28
• 1.6.3 研究内容28-29
• 1.7 技术路线29-30
• 第2章 实验材料与方法30-40
• 2.1 实验材料与仪器30-31
• 2.1.1 实验药品及材料30
• 2.1.2 实验仪器与设备30-31
• 2.2 粒子电极的制备方法31-32
• 2.2.1 载体活性炭的预处理31
• 2.2.2 负载金属催化剂的制备31-32
• 2.3 粒子电极吸附性能评价方法32-33
• 2.3.1 静态吸附实验32
• 2.3.2 动态吸附实验32-33
• 2.4 粒子电极表征方法33-34
• 2.4.1 BET分析33
• 2.4.2 傅里叶红外光谱分析(FTIR)33
• 2.4.3 扫描电子显微镜能量分散能谱测定法(SEM-EDS)33
• 2.4.4 X射线衍射分析(XRD)33-34
• 2.4.5 X射线光电子能谱分析(XPS)34
• 2.4.6 热重分析(TG-TCD)34
• 2.5 电催化反应装置及检测方法34-38
• 2.5.1 复极性三维固定床反应器34-35
• 2.5.2 序批式三维电催化反应体系35-36
• 2.5.3 循环伏安曲线法36
• 2.5.4 极化曲线法36
• 2.5.5 开路电位测量法36
• 2.5.6 交流阻抗测试方法36-37
• 2.5.7 矿化电流效率的计算方法37
• 2.5.8 能耗的计算方法37-38
• 2.6 TOC、COD测定38
• 2.7 苯并噻唑浓度测定38
• 2.8 降解产物分析检测方法38-40
• 2.8.1 有机降解产物分析38
• 2.8.2 无机降解产物分析38-40
• 第3章 粒子电极的制备及其吸附-催化性能评价40-53
• 3.1 粒子电极的制备及优化40-41
• 3.2 吸附性能评价41-46
• 3.2.1 粒子电极对苯并噻唑的吸附效果41-42
• 3.2.2 粒子电极的孔道结构变化42-43
• 3.2.3 粒子电极表面化学性质变化43-45
• 3.2.4 吸附动力学45-46
• 3.3 催化性能评价46-51
• 3.3.1 粒子电极表面担载金属催化剂的表征47-49
• 3.3.2 粒子电极对苯并噻唑的催化效果49
• 3.3.3 活化能计算49-51
• 3.4 本章小结51-53
• 第4章 复极性三维电催化体系的构建及其对苯并噻唑的电催化降解研究53-75
• 4.1 复极性三维电催化固定床反应器的构建53-58
• 4.1.1 电极型式的确定53-54
• 4.1.2 外加电压、电极间距和粒子电极填充比例的优化54-58
• 4.2 序批式三维电催化体系的运行及其电催化性能评价58-70
• 4.2.1 电解质溶液种类及浓度对反应体系的影响58-62
• 4.2.2 进水pH对反应体系的影响62-63
• 4.2.3 序批式三维电催化体系的进水-电催化时间配比63-67
• 4.2.4 反应体系的电化学性能评价67-70
• 4.3 苯并噻唑的电催化降解机理70-74
• 4.3.1 苯并噻唑降解产物鉴定70-71
• 4.3.2 苯并噻唑降解途径分析71-74
• 4.4 本章小结74-75
• 结论75-77
• 参考文献77-89
• 攻读硕士期间发表论文及其它成果89-91
• 致谢91

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本文编号：629920