阴阳极同时作用电化学法降解有机污染物的研究

论文摘要

电催化高级氧化技术因其具有处理效率高、操作简便、与环境友好等优点于近年来引起了研究者的广泛注意。从20世纪90年代开始,利用氧在阴极还原生成H2O2降解有机污染物是研究的焦点。大多数研究是控制在酸性条件下,外加铁盐或采用铁阳极提供铁离子,由此产生羟自由基（HO·）的“电芬顿”工艺。而本文采用Ti/IrO2/RuO2阳极、C/PTFE氧还原阴极,无须外加金属催化剂,充分发挥阳极氧化和阴极还原产物的氧化同时作用处理有机废水。本文采用一种新型电化学体系阴阳极同时作用降解甲基橙,以电还原氧气产生H2O2的炭/聚四氟乙烯（C/PTFE）气体扩散电极为阴极,Ti/IrO2/RuO2电极为阳极,廉价的涤纶滤膜作为隔膜。研究结果表明:适当的曝气有利于甲基橙的降解;甲基橙脱色率随电流密度的增加而升高;初始pH对甲基橙的脱色效果有一定的影响。在电流密度46 mA/cm2,曝气速度30 mL/s,电解时间60 min时,脱色率可以达到100%,COD平均去除率可达到80%。本研究针对高级氧化技术处理氯酚类污染物有含氯中间产物存在的问题,采用阴极还原脱氯和阴阳极同时氧化相结合的方法对氯酚类污染物进行降解研究。对氯酚类污染物先通过阴极还原脱氯,再通过阳极氧化和阴极还原产物的氧化作用共同处理脱氯后产物使其降解到有机酸阶段,后续生物处理。这一结合充分发挥电化学氧化、还原的优势,既避免了脱氯去毒不完全的问题,又实现了有机物彻底矿化的最终目标。本研究分别采用氢气还原法和甲醛还原法制备了Pd/C催化剂,利用XRD、TEM、XPS及CV对催化剂进行表征,并由催化剂制备成Pd/C气体扩散阴极,在隔膜电解体系中对氯酚类污染物（4-氯酚、2,4-二氯酚和五氯酚钠）进行降解,比较了不同电极体系及不同通气方式下氯酚类污染物的去除效果。结果表明,所制备的Pd/C气体扩散阴极既对氯酚类污染物具有还原脱氯作用（通入H2时）,又促进O2还原生成H2O2（通入O2时）。采用先通氢气后通空气的方式对氯酚类污染物有很好的去除效果,氯酚类污染物的转化率和脱氯率均接近100%。因此,Pd/C气体扩散阴极利用电化学还原脱氯和阴阳极同时氧化相结合对氯酚类有机物的降解是可行的。本研究还借助高效液相色谱等现代分析技术,考察了氯酚类污染物的电化学降解行为,从微观和宏观角度探索氯代有机污染物的电化学阴极还原脱氯以及随后的氧化降解机理,为提出一条简单、高效的氯酚类污染物处理工艺建立科学基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 有机废水处理工艺及研究现状
• 1.2.1 传统水处理工艺及不足
• 1.2.2 有机废水的深度氧化技术
• 1.3 电化学降解有机污染物方法与工艺发展现状
• 1.3.1 阳极催化氧化工艺
• 1.3.2 阴极间接氧化工艺
• 1.4 本论文研究的目的、意义及研究内容
• 1.4.1 本论文研究的目的及意义
• 1.4.2 本论文研究内容
• 第2章 实验材料的制备
• 2.1 C/PTFE氧还原电极的制备
• 2.1.1 C/PTFE氧还原电极制备的工艺流程
• 2.1.2 活性炭的预处理
• 2.1.3 和膏
• 2.1.4 不锈钢网的预处理
• 2.1.5 辊压
• 2.1.6 电极的处理
• 2.2 电解体系隔膜的选择
• 2.3 Pd/C催化剂的制备
• 2.3.1 实验材料和试剂
• 2.3.2 主要实验仪器
• 2.3.3 实验方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 电化学催化氧化处理甲基橙染料废水的研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 主要试剂
• 3.1.2 主要仪器
• 3.1.3 实验方法
• 3.1.4 分析方法
• 3.2 阴阳极同时作用氧化降解甲基橙影响因素的研究
• 3.2.1 曝气速度的影响
• 3.2.2 电流密度的影响
• 3.2.3 初始pH的影响
• 3.2.4 处理甲基橙废水的效果
• 3.2.5 机理探讨
• 3.3 本章小结
• 第4章 电化学还原氧化对4-氯酚降解机理的研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验方法
• 4.1.2 分析方法
• 4.2 紫外扫描图及分析
• 4.3 4-氯酚去除效果的研究
• 4.4 阴极室4-氯酚降解机理分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 电化学还原氧化对2,4-二氯酚降解的研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 实验方法
• 5.1.2 分析方法
• 5.2 不同Pd/C气体扩散电极的比较研究
• 5.2.1 2,4-二氯酚的去除和脱氯
• 5.2.2 中间产物的变化
• 5.3 降解2,4-二氯酚机理研究
• 5.3.1 2.4-二氯酚去除效果的研究
• 5.3.2 降解机理研究
• 5.4 本章小结
• 第6章 电化学催化氧化降解五氯酚钠废水的研究
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 实验装置与运行方法
• 6.1.2 分析方法
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 五氯酚钠去除效果的研究
• 6.2.2 五氯酚钠转化率与TOC去除效果
• 6.2.3 脱氯效果研究
• 6.2.4 中间产物研究
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录