中間層引入及氧化釹稀土添加對(duì)鈦基PbO2涂層電極性能的影響.pdf

1、電化學(xué)氧化技術(shù)處理生物難降解有機(jī)污水被證實(shí)是一種有效且極具發(fā)展?jié)摿Φ膹U水防治技術(shù)，然而其核心部件—陽(yáng)極氧化電極因在穩(wěn)定性、效率和效益等方面還無(wú)法滿足工程需要成為限制其實(shí)際應(yīng)用和推廣的一大障礙。由于PbO2具有類似于金屬的良好導(dǎo)電性、能允許大的電流通過、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)成本低及對(duì)有機(jī)污染物催化氧化有效等特性，常被陽(yáng)極電沉積在閥金屬鈦材上制成鈦基PbO2涂層電極來作為生物難降解有機(jī)污水處理用電極材料，并已顯現(xiàn)出它在高濃度有機(jī)污水預(yù)處理具

2、有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但使用中也發(fā)現(xiàn)該電極存在耐久性差、催化活性不夠高、結(jié)合不夠牢固等缺陷。引入適宜的中間層和利用稀土化合物改性已被研究者證實(shí)能有效解決上述缺陷的重要技術(shù)途徑，為此本研究旨在探討通過可控性強(qiáng)的電沉積法制備中間層以提高電極的性能，考察有不同中間層的PbO2涂層電極在硫酸溶液中的析氧失活行為，同時(shí)還系統(tǒng)地研究了稀土釹以離子和氧化物形式添加對(duì)鈦基PbO2電極的性能影響。研究取得的主要結(jié)果有：
　　（1）制備出陰極電鍍Ni、C

3、u-Ni復(fù)合層為中間層的Ti/Ni/PbO2電極和Ti/Cu-Ni/PbO2電極。與無(wú)中間層的Ti/PbO2電極對(duì)比，通過對(duì)電極表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性及催化性能等表征，發(fā)現(xiàn)中間鍍層的引入均提高了電極的穩(wěn)定性并改善電極表面電勢(shì)分布，提高電極的導(dǎo)電性，降低槽壓和能耗。Ti/Ni/PbO2、Ti/Cu-Ni/PbO2和Ti/PbO2三種電極的加速壽命時(shí)間分別為36h、30h和26h，電極表面電勢(shì)分別為1.5~2V、2~3V和6~6.5V，

4、單位COD處理能耗分別為112kW·h/kg、139.3kW·h/kg和218.6kW·h/kg。同時(shí)Ni中間層的引入增加了活性層的沉積速率，細(xì)化了電極活性層晶粒，提高電極涂層的催化活性，對(duì)模擬苯酚廢水中COD去除率為62.1％明顯高于Ti/PbO2的52.6%。
　　（2）采用陽(yáng)極電沉積法分別制備出以MnO2和α-PbO2為中間層的Ti/MnO2/PbO2電極、Ti/α-PbO2/PbO2電極及無(wú)中間層的Ti/PbO2電極，并對(duì)

5、電極晶體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性及催化性能等進(jìn)行表征。結(jié)果表明，α-PbO2中間層提高了Ti/PbO2電極穩(wěn)定性，電極的加速壽命時(shí)間分別為15h、33h和26h；兩種氧化物中間層的引入均改善了電極表面電勢(shì)分布，提高了電極的導(dǎo)電性及降解廢水時(shí)的電流效率，降低了槽壓及能耗，單位COD處理能耗分別為146.8kW·h/kg、171.2kW·h/kg和218.6kW·h/kg。同時(shí)兩種氧化物中間層的引入均提高電極的催化活性，Ti/MnO2/PbO2電極、T

6、i/α-PbO2/PbO2電極和Ti/PbO2電極對(duì)模擬苯酚廢水中COD去除率分別為54.7%、57.5%和52.6%。
　　（3）對(duì)存有不同中間層的PbO2電極在硫酸介質(zhì)中析氧失活行為進(jìn)行研究。結(jié)果表明，幾種電極均呈現(xiàn)出相似的失效演變規(guī)律：電極活性層顆粒均隨電解時(shí)間的增加而發(fā)生溶蝕等微觀變化，活性層有局部脫落，涂層電極阻抗演變規(guī)律表明等效元件擬合值在失活前后發(fā)生顯著變化。對(duì)比不同中間層對(duì)失活行為影響可知，結(jié)構(gòu)致密，結(jié)合強(qiáng)度高，良

7、好的活性氧阻擋能力的中間層有利于提高電極的穩(wěn)定性。在電沉積的四種中間層中，Ni中間層的綜合性能最優(yōu)，使得Ti/Ni/PbO2電極壽命最長(zhǎng)；Cu-Ni復(fù)合層因銅底層致密性差，導(dǎo)致電極壽命縮短；α-PbO2中間層結(jié)構(gòu)致密，與活性層結(jié)合牢固，Ti/α-PbO2/PbO2電極壽命較長(zhǎng)；而對(duì)MnO2中間層而言，因其自身應(yīng)力大造成較多的裂紋存在導(dǎo)致Ti/MnO2/PbO2電極壽命最短。
　　（4）稀土Nd3+和Nd2O3添加制備的PbO2電極

8、性能研究表明，當(dāng)Nd3+添加50mg/L時(shí)所得電極電催化活性最高，COD的去除率可達(dá)55.6%，苯酚的降解率可達(dá)89.8%，且稀土Nd3+加入濃度對(duì)電極電催化活性呈非單調(diào)影響；稀土Nd2O3復(fù)合沉積制備出的PbO2電極中雖未檢測(cè)出Nd2O3的存在，但其對(duì)PbO2的結(jié)晶過程會(huì)產(chǎn)生一定的影響，隨著Nd2O3加入量的增加，電極中非活性α-PbO2的量增加，降低了二氧化鉛電極的催化活性，使其對(duì)COD的去除率以及苯酚的降解率低于未添加稀土改性的二