碳材料陰極改性及其電芬頓處理有機(jī)污染物研究.pdf

1、電芬頓（Electro-Fenton,EF）作為一種新型、高效、清潔的電化學(xué)高級氧化技術(shù)，近年來被廣泛研究應(yīng)用于水中難降解有機(jī)污染物的處理。該技術(shù)可通過合適陰極氧氣還原原位產(chǎn)生H2O2，有效避免其在運(yùn)輸、儲存方面存在的安全與經(jīng)濟(jì)成本等問題。大量研究表明高效產(chǎn)H2O2的陰極及其反應(yīng)器決定了電芬頓處理污染物的能效?；诖耍狙芯客ㄟ^對石墨氈陰極材料進(jìn)行改性、金屬催化劑的負(fù)載篩選，及其旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器的構(gòu)建，提升電芬頓反應(yīng)氧氣利用率和電流效率，降低

2、了處理能耗，以促進(jìn)該技術(shù)的應(yīng)用。
　　以石墨氈為陰極，采用旋轉(zhuǎn)雙陰極供應(yīng)氧氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的曝氣，構(gòu)建了新的無需曝氣電芬頓反應(yīng)器。考察了電極旋轉(zhuǎn)速度、電流密度和pH值對產(chǎn)H2O2性能的影響。在電流密度50A/m2、轉(zhuǎn)速10rpm、pH3條件下，H2O2濃度在1 h可達(dá)108mg/L，約為轉(zhuǎn)盤靜止(37mg/L)條件下的3倍。在轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)條件下，25mg/L的甲基橙(MO))可在15min完全去除；降解2h后的總有機(jī)碳去除效率達(dá)到58.7％

3、，較轉(zhuǎn)盤靜止(14.9%)條件下高3倍。圓盤旋轉(zhuǎn)陰極無需曝氣而提高H2O2的產(chǎn)生效率，為有機(jī)污染物處理提供了高效低成本的新途徑。
　　研究了聚四氟乙烯和炭黑對石墨氈陰極的改性，研究其產(chǎn)雙氧水的性能、穩(wěn)定性和對pH的適應(yīng)性，并進(jìn)行電芬頓降解染料的研究。最佳炭黑和PTFE的質(zhì)量比為1：5時，原位產(chǎn)H2O2性能提高了10.7倍，對電流密度、O2流量和pH值等因素，與改性之前有顯著差異，改性陰極表現(xiàn)了更穩(wěn)定的性能，可在較寬的pH和氧流量范

4、圍內(nèi)使用。在電流密度為50A/m2、初始pH值為7，不曝氣的條件下，H2O2濃度最高可達(dá)472.9mg/L。改性電極經(jīng)10次重復(fù)使用后，H2O2濃度仍然可達(dá)最初的90%以上。50mg/L的MO可在15min之內(nèi)完全去除，而在2h總有機(jī)碳去除效率達(dá)到95.7%，是未改性電極（23.3%）的4倍。這種改性陰極無需曝氣，而大大提高了過氧化氫的產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)了高效低耗電芬頓降解有機(jī)污染物。
　　將鈷、鐵、鈰等金屬分別負(fù)載到改性陰極上制備了多種

5、非均相催化劑，通過類芬頓反應(yīng)催化過氧化氫產(chǎn)生羥自由基降解污染物，構(gòu)建非均相電芬頓體系。結(jié)合掃描電鏡、線性掃描伏安等分析結(jié)果表明，當(dāng)硝酸鈷、硝酸鐵和硝酸鈰和炭黑的質(zhì)量比為1%，硝酸銅和炭黑粉末的質(zhì)量比為0.5%時，在pH=3和pH=5的條件下，甲基橙去除率有較大的提高，大大提升了電芬頓反應(yīng)的降解性能?；谏鲜隹疾斓慕饘僦校珻o負(fù)載的陰極電芬頓去除甲基橙性能最佳，在pH=3和pH=5的條件下，降解速率常數(shù)分別為GF和GF-C電極的5-7和1

6、0-13倍，是其他金屬負(fù)載陰極的3-4倍左右。在pH=9和pH=11時，GF-C和GF電極處理MO的效果較負(fù)載金屬電極下降明顯。pH在近中性條件下,GF-Co、GF-Fe、GF-Ce、GF-Cu、GF-C和GF的MO降解率分別為94.3%、87.6%、73.1%、61.5%、29%和10%。表觀速率常數(shù)依次為0.022s-1、0.016s-1、0.013s-1、0.01s-1、0.004s-1和0.0011s-1。負(fù)載金屬的石墨氈陰極在

7、較廣闊的pH值范圍（3～11）都表現(xiàn)出良好的降解甲基橙的能力，實(shí)現(xiàn)了非均相電芬頓高效處理污染物。
　　以輥壓法制備了炭黑/聚四氟乙烯空氣陰極，與傳統(tǒng)涂刷法制備的空氣陰極的性能作了對比，并優(yōu)化了該電極產(chǎn)雙氧水的主要影響因素（炭黑和PTFE質(zhì)量比、電流、pH值和空氣流速）。結(jié)果表明，輥壓法制備陰極工藝中，以炭黑和PTFE質(zhì)量比為1.5∶1的空氣擴(kuò)散電極性能最佳，且優(yōu)于涂刷法制備的空氣陰極。在pH=7、Na2SO4濃度0.1mol/L、