高吸附性CNT-PbO2电极电催化氧化五氯酚钠的研究

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五氯酚钠(PCP-Na)是一种持久性有机污染物,在水体中广泛存在,并很难被生物降解。长期接触PCP-Na会损害肝脏、肾脏、血液及神经系统,因此去除水中PCP-Na污染物具有重要意义。在众多有机污染物的降解技术中,电催化氧化技术由于具有操作简单、去除效率高、二次污染小等优点而被广泛应用。电催化氧化技术虽然能有效降解有毒有机污染物,但废水中PCP-Na浓度变化范围较大,当浓度较低时电催化氧化过程传质速率慢,降解效率低。因此,本文结合电沉积和电泳技术制备具有高吸附性的碳纳米管修饰二氧化铅(CNT-PbO2)复合阳极,将电吸附与电催化有效结合起来,高效降解水中PCP-Na污染物。主要结果及结论如下:(1)结合电泳技术与电沉积技术制备CNT与β-PbO2层层嵌套的新型CNT-PbO2电极,根据最外层β-PbO2沉积时间的不同制备了CNT-PbO2-3、CNT-PbO2-4、CNT-PbO2-5三种电极,并制备纯PbO2电极用于对比研究。利用扫面电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)及X射线光电子能谱(XPS)等技术对电极的形貌、晶体结构及表面元素状态进行分析。以荧光光谱法测试电极的羟基自由基产生能力。通过线性伏安、循环伏安及电化学交流阻抗等测试手段研究电极的电化学性能。通过N2吸附-脱附曲线考察电极的比表面积大小。以PCP-Na为目标污染物,通过电催化氧化实验探究电极的吸附能力和电催化氧化能力。测试结果表明,掺杂CNT可以有效减小电极晶粒尺寸,增大电极比表面积与活性位点。CNT-PbO2电极的电催化能力以及稳定性都要远远优于纯PbO2电极。电吸附和电催化实验结果表明,CNT-PbO2-3电极的电吸附能力最好,CNT-PbO2-4电极的电催化氧化能力最好。(2)以CNT-PbO2-3电极为阳极,探究电场电压、温度、PCP-Na初始浓度及支持电解质浓度对CNT-PbO2-3电吸附PCP-Na的影响。利用响应曲面法构建吸附优化方程,探明吸附过程中多种因素共同作用对电吸附PCP-Na过程中能耗大小的影响,并根据实验结果初步建立能耗优化方程。优化方程结果表明,在电场电压为0.1 V、温度为34.72℃、初始浓度为4.81 mg/L、电解质浓度为0.75 g/L时,能耗最低,为0.85 k Wh/g。为了验证模型,在所获得的模型实验条件下进行了电吸附实验,发现模型与实验结果相差较小,证明根据响应曲面建立的优化方程对电吸附过程中产生的能耗的反应条件优化及能耗预测准确可行。(3)以CNT-PbO2-4电极为阳极,探究电场电压、温度、PCP-Na初始浓度及电解质浓度对CNT-PbO2-4电催化氧化PCP-Na的影响,并对实验结果进行动力学拟合。实验结果表明CNT-PbO2-4电极电催化降解PCP-Na过程符合一级反应动力学。另外,实验利用气相色谱-质谱鉴定电催化降解PCP-Na过程的中间产物,并推测PCP-Na的可能降解途径。(4)利用循环伏安及充放电曲线分析实验制备的不同电极的比电容大小,发现CNT-PbO2电极的比电容要高于纯PbO2电极。通过线性伏安测定电极的析氧电位,在施加析氧电位电压下,测试电极的电化学交流阻抗谱,并根据其等效拟合电路参数引入有机物阳极氧化系数γ。以γ值来表示电催化过程中有效电流组分,用以评估电极的电催化氧化能力大小。在此基础上,对PCP-Na在CNT-PbO2复合阳极浓度变化模型进行研究,探究电催化反应进程,通过PCP-Na废水模拟实验,验证模型的合理性与可行性。
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