瓦斯泥、水白菜和水花生制备碳阴极和电芬顿性能研究

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染料合成、纺织以及印染等几个行业生产使用了大量的合成染料,导致这些行业的所排废水也含有了染料,含染料的有色废水成为一个环境问题。因此,从水溶液中去除染料在环境工程领域具有很大的潜力。本论文首先综述了合成染料的分类以及对水环境的影响等情况,并且介绍了处理含有染料污水的方法,比如沉淀法、吸附法、电絮凝、高级氧化技术等方法,其中电芬顿(Electro-Fenton,E-Fenton)技术受到了人们的关注,是由于E-Fenton技术的矿化效率高,可以将有机物直接氧化成二氧化碳和水,并且可以原位产生过氧化氢(H2O2),避免了H2O2的运输储存风险。对于E-Fenton的研究主要集中在与其它技术的联用,非均相催化剂的使用,含铁的功能化阴极以及非金属碳阴极的改性等,这些的应用是为了提高H2O2的产量,拓宽E-Fenton应用的pH范围,减少外源性的铁的加入等。本论文选取了瓦斯泥、水白菜和水花生三种材料,采用不同的处理方法制得了碳材料并将其制备成碳电极,在E-Fenton中作为阴极考察电极的降解、生成H2O2以及生产羟基自由基(·OH)的性能。对瓦斯泥处理制备了瓦斯泥、S300、S500以及S900四个样。XPS表征,发现瓦斯泥中的Fe主要是以Fe3+氧化物存在,高温处理的S900中的Fe主要是以Fe2+氧化物存在,N2吸脱附测试表明材料存在介孔。降解X3B实验中,瓦斯泥电极降解效果最差,45分钟降解了90%,S900降解效果最好,20分钟降解了90%。瓦斯泥电极H2O2量最多,45分钟产生2 mM,但是铁溶出量最少,60分钟溶出0.07mM;S900电极产H2O2量最少,50分钟生成0.8mM,但是铁溶出量最多,30分钟溶出0.25mM。H2O2的生成量和·OH的产生强度与铁的溶出量关系成负相关,因为Fe2+可以和H2O2反应生成·OH,消耗了部分H2O2。瓦斯泥碳阴极在E-Fenton中的应用是可行的。熔盐氯化锌活化水白菜制备碳材料,探究了温度以及氯化锌比例对碳材料的影响,并将其制备成电极。XPS测试,水白菜所制备的碳材料表面含N和P量分别为2.20%和1.06%;N2吸脱附测试,所制备碳材料为介孔材料,比表面积在350 cm2·g-1到720 cm2·g-1之间;制备的水白菜材料电极降解X3B实验,20分钟X3B去除率均超过了90%,通过动力学拟合,水白菜的动力学常数最大;通过测H2O2的产量以及电流效率分析,发现500℃活化碳材料效果较好;使用香豆素捕获·OH,水白菜与氯化锌比例1:1的·OH强度最高。电极经过8次重复降解实验,依然具有良好的实验效果,电极稳定性良好。制备双熔盐活化的碳材料,使水花生、ZnCl2和Mg5(OH)2(CO34的比例为1:3:1,此外还制备了1:3:0,1:0:1以及1:0:0的碳材料作为对比。通过SEM以及N2吸脱附测试,证明材料1:3:1合成了具有微孔、中孔和大孔的多层次孔结构的碳材料;XPS表征,四种材料表面所含N主要是石墨化氮(G-N);通过线性扫描伏安法(LSV)以及交流阻抗电化学表征,表明材料1:3:1具有良好的氧还原性能,并且具有合适的电荷转移电阻;合成的四种水花生材料电极降解X3B的效果很好,20分钟降解效率达到90%,符合一级反应动力学模型;比较四种水花生材料电极的H2O2产量,电极材料1:3:1的产量最高,30分钟产生0.9mM,其电流效率为42%;通过香豆素检测·OH的含量,发现材料1:0:1和1:0:0的·OH强度最高。总而言之,双熔盐活化水花生生物质碳具有多层次的孔结构,电极也具有良好的E-Fenton性能。瓦斯泥电极的E-Fenton体系相对于水白菜和水花生的E-Fenton体系,不用外加铁源,铁的溶出对瓦斯泥电极的E-Fenton体系有积极影响。此外,瓦斯泥电极稳定性不如水白菜和水花生电极。
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