论文部分内容阅读
电催化氧化系统性能的提升是电化学水处理技术的研究热点,而电极系统的催化活性、稳定性和传质性能是最重要的特性,且均与电极结构和材料密切相关。形稳电极（Dimensionally Stable Anode,DSA）以其较好稳定性得到广泛的关注,Ti/SnO2-Sb作为DSA的一种因其较好的电催化活性成为了电催化领域研究热点。本文以网状钛（Ti）基电极电催化降解苯酚的性能及机制研究为主要内容,从网状钛基体对Ti/SnO2-Sb电极性能的影响与作用机制、网状二氧化钛纳米管（M-TiO2-NTs）基体对Ti/TiO2-NTs/SnO2-Sb电极稳定性和催化性能影响、网状Ti阴极对污染物传质及转化过程的影响等开展了系统研究,并对网状Ti/TiO2-NTs/SnO2-Sb阳极和网状阴极组成的电催化体系促进苯酚降解机制展开了深入研究。使用网状钛金属代替传统的平板钛金属作为制备Ti/SnO2-Sb电极的基体,深入分析了网状钛基体金属阳极性能的特点与优势。与平板钛基体金属阳极相比（P-Ti/SnO2-Sb）,使用钛网金属制备的网状钛基体二氧化锡电催化电极（M-Ti/SnO2-Sb）表面裂纹少且形貌较致密,具有较低的电荷转移内阻（9.49Ω）、较大的活性表面积（74.88 cm2）以及较高的电极表面吸附氧含量（17.41%）,这些特性促进了M-Ti/SnO2-Sb产生更多的?OH。COMSOL模拟结果表明:网状的基体结构强化了M-Ti/SnO2-Sb电极附近流体的扰动,促使系统传质系数提高,是P-Ti/SnO2-Sb时的1.67倍。在电流密度为10 m A/cm2时,M-Ti/SnO2-Sb降解苯酚的TOC去除率和矿化电流效率（MCE）较P-Ti/SnO2-Sb高出21.6%和9.95%,电极寿命是P-Ti/SnO2-Sb的1.89倍。为进一步提高网状钛金属阳极的电催化效能,采用阳极氧化法在网状Ti基体表面原位合成二氧化钛纳米管阵列（M-TiO2-NTs）,研究了M-TiO2-NTs基体对Ti/SnO2-Sb（M-Ti/TiO2-NTs/SnO2-Sb）电催化性能及稳定性的影响,并与钛网阳极M-Ti/SnO2-Sb和平板钛基体的二氧化钛阵列/二氧化锡电极（P-Ti/TiO2-NTs/SnO2-Sb）进行对比分析。结果表明,加入M-TiO2-NTs中间层后,SnO2进入M-TiO2-NTs内部及M-TiO2-NTs形成的管簇后,M-Ti/TiO2-NTs/SnO2-Sb活性比表面积（4.03 cm2/cm2）和催化剂负载量（6.98±0.03 g/m2）均得到了提高;同时,电极的稳定性也得到了极大地提升,M-Ti/TiO2-NTs/SnO2-Sb的加速寿命为105 h,分别是M-Ti/SnO2-Sb和P-Ti/TiO2-NTs/SnO2-Sb的8.47和6.56倍;此外M-Ti/TiO2-NTs/SnO2-Sb电极能够有效的降解苯酚,在电催化降解100 min后,TOC去除率可达98.2%。为进一步提高对污染物苯酚的转化效能,对比研究了平板阴极和网状阴极结构对污染物去除效果的影响,分析了各进水流速下（0、0.015、0.032、0.045和0.062 m/s）电催化系统的效能。结果表明:使用网状阴极能有效提高污染物的转化效能,间歇静态流实验中,网状阴极电催化系统降解苯酚的准一级动力学常数k较平板阴极提高了26.3%;当进水流速提高至0.062 m/s时,网状阴极电催化系统降解苯酚的k值较静止时提高了30.1%。计算流体力学（CFD）模拟结果表明:在各进水流速下,使用网状阴极能够有效的增加阳极表面及反应器内部的流速,进而提高电催化系统传质性能和污染物降解效果。电催化系统传质系数（km）与进水流速成正比,当进水流速为0.032 m/s时,平板阴极和网状阴极电催化系统的km分别为3.65?10-5 m/s和6.14?10-5 m/s,各流速下网状阴极电催化系统的km较平板阴极高约40-55%。此外,CFD模拟结果与实验结果吻合度较高,说明本文中采用的模型可以较为准确的反映系统内流体的流动情况。以网状Ti/TiO2-NTs/SnO2-Sb阳极和网状阴极为电极材料,构建了电催化反应器,探讨了污染物降解的机制。TiO2-NTs在网状Ti基体上呈放射状径向的三维结构提高了M-Ti/TiO2-NTs/SnO2-Sb阳极的活性表面积和析氧过电位（1.87V（vs.Ag/Ag Cl））,有效促进阳极产·OH的能力,阳极表面吸附氧含量可达28.3%;当采用网状阴极时,电催化系统的传质系数为1.25?10-4m/s,是平板阴极系统(8.92?10-5m/s)的1.40倍,提高了·OH的利用效率。本论文研究表明,电催化系统中M-TiO2-NTs/Ti/SnO2-Sb阳极较大的活性表面积和放射状径向向外延伸生长的三维结构为·OH的大量产生提供了基础,而网状阴极的使用加快了有机物和?OH传递的速度和提高了·OH的利用效率,强化了系统内的传质过程,最终共同提高了电催化反应器降解污染物的能力。