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阴阳极共同作用体系电催化降解邻硝基苯酚的研究

李艳  
【摘要】: 近年来,利用电催化氧化法处理水中难降解有机污染物的研究引人注目。它是以羟基自由基(·OH)为主要氧化剂的高级氧化技术,研究者已从传统的阳极产·OH转为开发阴极的间接氧化性能。本文发展了以阳极氧化为主的电催化氧化技术,利用阴极还原氧为H2O2间接产·OH氧化有机物的能力,建立阴阳极共同作用体系,对邻硝基苯酚(ONP)的催化降解进行了系统研究。 本文选用不同碳材料及粘结剂制备出三种阴极即活性炭/聚四氟乙烯( AC/PTFE)、热解碳/酚醛树脂( PC/PFR)、碳纳米管/酚醛树脂(CNTs/PFR)气体扩散电极(GDE)。研究了制备工艺中的各项因素对每种电极性能的影响。研究表明采用不锈钢网为导电基体;活性催化层中碳粉与粘结剂质量比分别为2:1、1:1、1:5;在防水扩散层中添加无水硫酸钠作造孔剂并且当PTFE与无水硫酸钠质量比为1:1等条件时各电极的催化性能发挥最好。利用FT-IR、SEM、BET等检测手段对三种碳材料及GDE的表面性能进行了分析。 对三种GDE与Ti-Bi/PbO2阳极组成的三个阴阳极共同作用体系与阳极氧化体系进行比较研究。结果显示阴阳极共同作用的电催化体系在H2O2及·OH的产量上均比阳极氧化体系要多,其中CNTs/PFR阴极产H2O2及·OH量最高,在电催化降解有机物中能够发挥关键性作用。ONP在CNTs/PFR Ti-Bi/PbO2体系作用下降解速率常数最大,为0.2023min-1,比阳极氧化体系速率常数提高了近120%。总的来说,CNTs/PFR Ti-Bi/PbO2体系不仅比阳极氧化体系具有更高的电催化活性,同时也可以提高电流效率与电压利用率,是最经济合理的电催化体系。 最后利用最佳电催化体系对ONP降解途径进行了研究,在电流密度20mA/cm2、pH 4、反应温度45℃、曝气量1L/min的最佳实验条件下,ONP的降解非常快速,30min时ONP去除率达100%,120min时基本矿化完全,却矿化过程属质量扩散控制过程。通过对中间产物及硝基的转化分析得知,ONP降解途径中存在氧化和还原两种反应,且氧化反应占主导地位,苯环裂解生成有机酸及后续反应可借鉴苯酚的降解过程。


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