论文部分内容阅读
在各种高级氧化水处理技术中,电化学氧化技术由于具有多功能性、高度的灵活性、无污染或少污染性和易于控制性等优势而受到广泛的关注。然而电化学氧化技术由于存在电极表面的钝化,导致电极表面电化学反应受阻,电流效率低的重要问题,使其在进一步应用中受到限制,因此通过引入其他手段改进电化学氧化技术成为当前一个非常具有活力的方向。
微波作为一种高频电磁波,能够加快反应的进行,正被广泛地应用在化学反应中。本文将微波引入电化学氧化处理技术,实现了常压流动态下微波原位活化电极表面反应,减缓电极钝化失活,提高电化学氧化降解效率。本论文以高浓度染料废水为降解对象,研究了微波持续活化电化学氧化技术以及微波诱导金属氧化物催化促进微波活化电化学氧化降解过程。
本研究首先建立了微波与电化学氧化技术联用的装置,探讨了石墨电极、铂电极和掺硼金刚石膜(BDD)电极三种代表性电极在常压流动态下的微波持续原位活化电化学氧化降解技术中的可行性。
研究结果表明,在微波作用下,三种电极体系的降解效果都得到了提高。石墨电极在反应中出现大量脱落,不是微波原位活化电化学氧化反应的理想电极。BDD电极由于其具有很宽的电势窗口、很低的背景电流、很高的化学话电化学稳定性以及耐腐蚀性等优点在电化学氧化处理有着良好的表现,微波对BDD电极在电化学氧化降解效率也存在一定的增强作用。铂电极在电化学氧化过程初期表现出的良好电催化性能,使之在此过程中能有效氧化降解有机污染物,但是铂电极在氧化降解过程中存在着一个最为突出、有代表性的一个问题,即极易被酚类和醌类物质等中间产物钝化,甚至中毒失活,造成电化学效率急剧下降,而微波的引入能持续对铂电极表面原位活化,使其维持相对较好的催化性能和氧化降解能力。所以本论文在下面着重开展铂电极的微波活化降解污染物方法和机制的研究。
论文着重研究了电化学氧化过程中微波对铂电极的原位活化作用。研究结果表明,甲基橙在反应过程中产生的2,5-二硝基苯酚、对硝基苯酚、对苯二酚、苯醌、顺丁烯二酸和草酸等多种中间产物都会严重的毒化铂电极,使得降解反应无法彻底进行。其中未开环的芳香类中间产物是造成铂电极中毒、钝化的主要物质。但在微波的活化作用下,这些中间产物却能迅速地被分解,矿化率接近100%。在整个处理过程中,微波活化的铂电极始终保持较高的电流效率,是未活化铂电极的1.8-3.6倍。研究还发现,微波的促进作用还表现为其热效应所带来传质和吸附与脱附过程的加快,使得甲基橙的电化学氧化速率提高了3倍多。
在微波原位活化铂电极电化学氧化方法的研究基础上,投加微波“敏化剂”——金属氧化物,进一步提高降解效果。由于存在典型的微波诱导催化效应,而该效应在涉及羟基自由基的反应中更为明显,使得电化学氧化这个典型涉及羟基自由基的反应对微波更为敏锐。通过对纳米CuO、Fe2O3、Al2O3、Mn2O3、NiO、SnO2和ZnO催化剂降解效果的比较,最终选定纳米CuO为最优催化剂。进一步将纳米CuO负载在微波诱导反应中典型的催化剂载体——活性炭(AC)上,得到(CuO-AC)催化剂,对其降解过程中的TOC和甲基橙去除率进行研究。结果发现在90min时,有催化剂的MW-EC反应中的甲基橙基本被完全去除,TOC去除率高达90%以上;而在没有催化剂的MW-EC反应则需要150min左右,在90min时TOC去除率仅为78.4%。并对氧化过程中两种典型中间产物对苯二酚和苯醌进行定量分析,结果显示CuO-AC能够显著地加快电化学氧化过程中中间产物的进一步氧化,减少中间产物的累积及其对电极的钝化和毒害作用。通过分析CuO-AC对微波持续原位活化电化学氧化过程中的羟基自由基的影响,发现催化剂CuO-AC使羟基自由基的产生量增加了一倍左右,进而提高了微波活化电化学反应的降解效果。