催化电极耦合生物电化学系统节能高效处理VOCs的研究

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大量排放挥发性有机化合物(VOCs)会对空气质量和人体健康产生不利影响。为了将VOCs污染控制在无害水平,已开发出多种空气净化技术并用于污染物去除。然而,每种控制技术都有其自身的局限性,从而限制了它们的应用范围和性能表现。因此,迫切需要开发一种常温常压条件下节能高效处理VOCs的净化技术,这对空气中VOCs污染控制和保护人体健康具有特别重要的意义。本文构建了一种新型VOCs处理系统,该系统通过耦合膜分离、光电催化与微生物燃料电池(MFC)构建光电催化耦合MFC系统(PEC-MFC)用于连续去除空气中的气态乙酸乙酯或甲苯。在此基础上,结合活化过硫酸盐技术,设计、构建并证明了活化过硫酸氢钾(PMS)耦合生物光电催化系统(PMS/PEC-MFC)可以有效氧化去除气态甲苯并同时产电。实验结果总结如下:(1)使用溶胶凝胶法成功制备了亚微米级CeO2/TiO2复合催化剂,其中TiO2为锐钛矿型,CeO2为立方晶相。通过XPS分析确认了Ti-O键的形成,Ce3+和Ce4+同时存在于CeO2/TiO2复合催化剂的表面。根据UV-vis数据计算得到TiO2和CeO2的带隙宽度分别为3.0 eV和2.9 eV。此外,使用导电性优良的活性炭纤维毡(ACF)作为电极基底,得到CeO2/TiO2/ACF催化电极。(2)在耦合系统阳极室中放置中空聚偏氟乙烯/碳纤维布(PVDF/CFC)膜组件。通过SEM表征发现PVDF层成膜均匀没有破损,可以作为气态VOCs富集扩散层。(3)在紫外光照射条件下,PEC-MFC系统对气态乙酸乙酯(0.39 g/m3)和甲苯(0.29-4.10 g/m3)的去除能力分别为2.52 g/m3?h和1.89-28.04 g/m3?h。自由基捕获测试结果确认了催化阴极表面·OH和·O2-的存在。(4)PMS/PEC-MFC系统显示出对甲苯较高的去除能力(去除能力:2.80 g/m3?h)和稳定的功率输出(电池电势:0.40 V)。自由基测试结果表明,·OH和·SO4-均有助于甲苯的氧化反应,其中·SO4-起到了重要作用。
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