具有微结构表面碳电极对水中氯代酚的电催化还原脱氯

论文摘要

近年来,电还原法处理氯代有机物,因脱氯效率高、操作简便、环境友好等优点,引起了研究者的广泛重视。本论文选用不同微结构表面的碳材料（活性炭纤维、石墨、多壁碳纳米管）作为电极负载Pd催化剂,用于电催化还原脱氯处理水中典型的难降解多氯代有机污染物（五氯苯酚为例）。主要开展了以下几个方面的工作: 利用电化学法,制备了负载Pd催化剂的活性炭纤维（ACF）电极,并将其用于五氯苯酚（PCP）的吸附和电催化还原降解过程。扫描电镜（SEM）分析表明,Pd催化剂在活性炭纤维上分散均匀。通过吸附实验,得出Pd/ACF电极对水溶液中的PCP具有高的吸附速率和吸附容量。在恒电流模式下,Pd/ACF电极对被吸附的PCP具有很好的去除效率和电流效率,但Pd/ACF电极稳定性较差。通过GC/MS降解产物分析表明,PCP降解途径是逐步脱氯,最终完全脱氯降解为苯酚。 采用化学气相沉积法（CVD）和电化学法,在石墨基体上制备了负载Pd催化剂的多壁碳纳米管（MWCNTs）膜电极;SEM、透射电镜（TEM）、X-射线衍射（XRD）和BET比表面积分析表明,碳纳米管的管外径为40～60nm左右,比表面积为54m2/g;Pd催化剂在MWCNTs上分布均匀,平均粒径约为13nm左右。以PCP为目标物研究了Pd/MWCNTs/石墨电极的电催化还原性能。结果表明,在恒电压模式下,Pd/MWCNTs/石墨电极对低浓度PCP有很好的去除效果和电流效率,且电极稳定性较好。 动力学研究表明,PCP在Pd/MWCNTs/石墨电极上的反应过程符合准一级反应动力学。系统地考察了温度、阴极电解质浓度、催化剂含量、阳极电解质浓度、偏压对电催化还原PCP反应动力学过程的影响,并建立了相应的动力学模型。此模型对电催化还原PCP反应具有很好的预测功能。 线性伏安法和GC/MS分析表明,PCP在P MWCNTs/石墨电极上的降解机理为电催化加氢过程。降解途径是PCP逐步加氢脱氯为苯酚;苯酚进一步加氢降解为环己酮。 研究并比较了负载Pd的不同微结构表面碳电极（Pd/石墨、Pd/ACF和Pd/MWCNTs/石墨）对PCP的处理效果,得出在Pd/石墨、Pd/ACF和Pd/MWCNTs/石墨电极上,PCP的电催化还原反应速率常数分别为0.0092min-1、0.0141min-1和0.0153min-1。降解产物分析表明,Pd/MWCNTs/;石墨电极对PCP脱氯效果和催化加氢产生环己酮的活性优于Pd/ACF和Pd/石墨电极。此外,Pd/石墨和Pd/MWCNTs/石墨电极具有较好的稳定性,而Pd/ACF电极稳定性较差。 比较了在Pd/石墨、Pd/MWCNTs/石墨和Pd/ACF电极上不同氯苯酚的处理效果,结果表明随着氯原子取代基数目的增加,反应速率变慢。不同氯苯酚反应速率常数由高到低顺序为:4-氯苯酚>2.4-二氯苯酚>PCP。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 国内外相关领域研究进展
• 1.1 氯代有机物的来源与危害
• 1.1.1 氯苯的来源与危害
• 1.1.2 多氯联苯的来源与危害
• 1.1.3 氯苯酚的来源与危害
• 1.2 氯代有机物废水的处理方法
• 1.2.1 生物法
• 1.2.2 化学法
• 1.3 电化学法水处理技术
• 1.3.1 电化学法的机理
• 1.3.2 电极材料
• 1.3.3 电化学法在有机氯废水处理中的应用
• 1.4 研究背景、目的、内容及意义
• 1.4.1 研究背景和目的
• 1.4.2 研究内容和意义
• 2 钯／活性炭纤维电极的制备与吸附／电催化还原处理五氯苯酚的研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验材料与试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.1.3 实验装置
• 2.1.4 实验步骤
• 2.1.5 分析方法
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 活性炭纤维（ACF）的表征
• 2.2.2 钯／活性炭纤维（Pd／ACF）的表征
• 2.2.3 五氯苯酚（PCP）的基本性质
• 2.2.4 PCP与苯酚的标准曲线与回收率
• 2.2.5 PCP在ACF和Pd／ACF上的吸附特性
• 2.2.6 电催化还原处理PCP影响因素
• 2.2.7 反应动力学
• 2.2.8 电极的稳定性
• 2.2.9 反应机理初步探讨
• 2.3 小结
• 3 钯／多壁碳纳米管／石墨电极制备与电催化还原处理五氯苯酚的研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验材料
• 3.1.2 实验仪器
• 3.1.3 实验步骤
• 3.1.4 分析方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 标准曲线和回收率
• 3.2.2 多壁碳纳米管（MWCNTs）的表征
• 3.2.3 Pd／MWCNTs／石墨的表征
• 3.2.4 电催化还原处理PCP的影响因素
• 3.2.5 电极的稳定性
• 3.2.6 恒电压／恒电流两种不同模式的对比
• 3.3 小结
• 4 钯／多壁碳纳米管／石墨电极上电催化还原处理五氯苯酚的机理和动力学研究
• 4.1 实验材料与分析方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 降解机理的探讨
• 4.2.2 电催化还原处理PCP的动力学
• 4.3 小结
• 5 不同载钯碳电极上电催化还原处理氯代苯酚的对比研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 实验材料
• 5.1.2 催化剂的制备
• 5.1.3 分析方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 色谱分析结果
• 5.2.2 不同碳材料的表征
• 5.2.3 负载Pd的碳电极表征
• 5.2.4 不同载钯碳电极催化活性的比较
• 5.2.5 不同载钯碳电极稳定性的比较
• 5.2.6 不同氯苯酚的处理效果比较
• 5.3 小结
• 6 结论、创新点与建议
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 存在的不足与建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果
• 致谢
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