不溶性催化電極的制備及其對(duì)廢水中有機(jī)物、菌藻和纖維素類物質(zhì)的催化降解作用.pdf

1、隨著世界各國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增加，環(huán)境污染、能源緊缺成為當(dāng)前人類面臨的嚴(yán)重問題。電催化水處理技術(shù)由于具有清潔、無二次污染、氧化徹底等優(yōu)點(diǎn)而受到科學(xué)工作者的關(guān)注，成為解決環(huán)境污染、能源緊缺的新的途徑。電催化技術(shù)的核心在于功能電極材料的研制，高性能電極材料的研究成為電化學(xué)科學(xué)的前沿課題。目前應(yīng)用最廣泛、性能較高的電極材料仍然是鈦基形穩(wěn)陽極，但是由于鈦金屬較為昂貴，限制了鈦基形穩(wěn)陽極在氯堿工業(yè)以外的其它行業(yè)的應(yīng)用。本工作采用不銹鋼作為電極的基

2、體金屬，制備不銹鋼基不溶性催化陽極，并將其應(yīng)用于廢水中有機(jī)物和菌藻的去除；并對(duì)鈦基形穩(wěn)陽極進(jìn)行改性研究，將其應(yīng)用于木質(zhì)纖維素電催化降解。
　　 用溶膠-熱分解的方法制備了不銹鋼基SnO2-CeO2陽極，電極制備的優(yōu)化條件為：涂刷次數(shù)20次，烘干溫度100℃，熱氧化氣氛為空氣，溫度550℃，時(shí)間60min。經(jīng)掃描電鏡表征，所制得的電極催化涂層呈現(xiàn)形穩(wěn)陽極特有的“泥裂”形貌。涂層無縱向貫穿的裂紋，與基體結(jié)合緊密。制備的SnO2-Ce

3、O2電極的溶膠及其熱分解生成的涂層均具有致密的結(jié)構(gòu)，有效阻止空氣中的O2到達(dá)不銹鋼基體，防止制備過程中不銹鋼基體氧化腐蝕、保證了SnO2和SnO2-CeO2膜與基體緊密結(jié)合。循環(huán)伏安測(cè)試表明不銹鋼基SnO2-CeO2電極具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，析氧電位高(1.6 V vs.SCE)，具有優(yōu)良的抗氧化能力。采用不銹鋼基SnO2-CeO2電極作為陽極，電催化氧化處理常規(guī)化學(xué)絮凝法處理效果較差的印染工業(yè)廢水，5 V電壓下，電催化2 min，色

4、度去除率達(dá)到92.8％，COD去除率達(dá)到58.2％，從而證明該電極具有優(yōu)異的電催化氧化性能。
　　 采用不銹鋼基SnO2-CeO2電極極作為陽極，不銹鋼電極作為陰極，對(duì)模擬抗生素廢水進(jìn)行降解研究，結(jié)果表明降解效果顯著。在5V電壓下電催化氧化5min，COD去除率達(dá)到21.3％，氧化20min，去除率達(dá)到33.2％；確定最佳的電極間距為10mm。采用水楊酸作為羥基自由基的捕捉劑，驗(yàn)證了電催化過程中有羥基自由基生成，并由此可以證明電

5、催化降解有機(jī)物主要是由于產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基。且不銹鋼基SnO2-CeO2電極對(duì)青霉素的降解過程遵循表觀一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律。針對(duì)不銹鋼電極以及不銹鋼基涂層電極在電催化氧化降解有機(jī)物過程中出現(xiàn)的與降解效果密切相關(guān)的特征電位，開發(fā)了特征電位跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效追蹤特征電位，并通過信號(hào)輸出控制電催化電源的工作參數(shù)輸出，有效保證電催化反應(yīng)始終處于最佳工作狀態(tài)。
　　 相同條件下添加三維粒子電極提高電催化降解對(duì)模擬抗生素廢水C

6、OD的去除率3.3至6.8個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)作為三維粒子電極的活性炭進(jìn)行飽和吸附-電催化氧化再生研究，結(jié)果表明電催化氧化對(duì)經(jīng)吸附飽和的活性炭粒子再生效果顯著。3V電壓下僅電催化氧化3 min，活性炭再生率即達(dá)33％，電催化10min，再生率達(dá)到50％。而5V電壓下僅氧化3分鐘，再生率即達(dá)53％。而在5V電壓下，電催化氧化15 min，對(duì)于經(jīng)12次吸附飽和并電催化再生的活性炭的再生率仍然達(dá)到78％。由此得出結(jié)論，用于電催化氧化反應(yīng)的粒子電極，在

7、處理有機(jī)廢水的過程中，在持續(xù)的電場(chǎng)作用下，粒子電極表面及內(nèi)部孔道能夠持續(xù)得以氧化再生。
　　 采用不銹鋼基SnO2-CeO2電極極作為陽極，不銹鋼電極作為陰極，對(duì)高濃度含菌廢水進(jìn)行滅菌和去除鈣鎂離子研究。發(fā)現(xiàn)電催化氧化具有優(yōu)異的滅菌效果，在3V電壓下，電催化5min，滅菌率已達(dá)89.65％。并且滅菌率隨著電壓的升高而迅速提高，當(dāng)電壓為5V時(shí)，電催化5min，滅菌率即達(dá)到99.17％。經(jīng)過電催化滅菌的模擬循環(huán)冷卻水放置2天后細(xì)菌總

8、數(shù)仍保持在較低水平(小于原水1％)，放置4天細(xì)菌數(shù)仍未超過原水細(xì)菌數(shù)。電催化處理同時(shí)具有去除水中鈣鎂離子的功能，在3V下對(duì)總硬度為4mmol/L的模擬廢水進(jìn)行電催化處理30min，總硬度去除率達(dá)到50.8％，去除效果顯著。
　　 制備鈦基SnO2-CeO2電極，并將其作為陽極和陰極材料，首次將電催化引入纖維素水解過程，利用電催化的氧化性能提高纖維素的水解產(chǎn)率，提高降解速率。為了便于木質(zhì)纖維素的溶解，提高木質(zhì)纖維素的降解效果，采用

9、兩步酸法，即先將木質(zhì)纖維素進(jìn)行濃酸水解，之后再稀釋進(jìn)行電催化稀酸水解。木質(zhì)紙纖維在濃酸水解最佳的反應(yīng)溫度為50℃，反應(yīng)時(shí)間15min，液固比2:1為最佳液固比。稀酸條件下電催化降解纖維素最佳硫酸濃度為3％，電壓4V，反應(yīng)時(shí)間為60min。在此條件下獲得的還原糖得率為51.7％，已超過直接水解2h的得率。木質(zhì)纖維素在水解前后的SEM和XRD測(cè)試表明電催化能夠有效破壞木質(zhì)纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，有效提高木質(zhì)纖維素的水解速度和還原糖得率。
　

10、　 設(shè)計(jì)并制作單臺(tái)處理能力為40m3/d的電催化廢水處理反應(yīng)器，并將其應(yīng)用于電催化降解印染廢水中試現(xiàn)場(chǎng)處理研究，對(duì)于COD值在200mg/L以下的經(jīng)過生化處理的印染廢水尾水，僅處理5min，廢水的COD即可達(dá)到國家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)(＜100mg/L)，噸水能耗僅為0.9KW·h～1.3KW·h；對(duì)于COD值大于2000mg/L的未經(jīng)生化處理的印染廢水原水和化工廢水，處理5min，COD去除率達(dá)到35％以上，顯示了較高的去處效率，能量消耗低