碳载锰氧化物的绿色制备与ECWAO反应催化强化

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湿式空气氧化(WAO)技术是一种高级氧化技术,但由于其条件苛刻,应用受到了限制。催化剂的加入可大大降低了其反应条件,因此催化湿式空气氧化(CWAO)应运而生。然而CWAO反应的温度和压力仍然高于常温常压。为了进一步降低能耗,寻找更温和的条件,本课题组将阳极电场应用于CWAO工艺中,并提出了电助催化湿式空气氧化(Electro-assisted catalytic wet air oxidation,ECWAO),实现了CWAO反应在常温常压下就能有效活化O2分子,从而氧化有机污染物。论文主要围绕碳载锰氧化物阳极材料的绿色制备和ECWAO反应催化强化开展研究,主要工作如下:生物质是功能性碳质材料的重要资源,并且廉价易得,具有广阔的应用前景。论文首先选择丝瓜海绵生物质制备了自支撑三维活性碳毡(LSCF),再通过溶液浸渍法和热处理工艺将锰氧化物(Mn Ox)纳米颗粒负载于LSCF表面制备出Mn Ox@LSCF复合材料。测试分析结果表明,Mn Ox@LSCF复合材料比表面积120m~2g-1,含有大量中孔,有利于氧分子和有机污染物在Mn Ox@LSCF复合材料表面的吸附。此外,Mn Ox表面化学吸附氧的电化学氧化表现出对氧气分子的有效活化。将制备的Mn Ox@LSCF复合材料作为ECWAO反应的阳极,在室温下催化氧化降解有机污染物,该材料表现出优异的催化活性。其中,模型污染物双酚A(Bisphenol A,BPA)在+1.0 V(vs.SCE)电势下,120 min内的矿化效率达92.3±1.2%,矿化电流效率为304.0±7.3%,亚甲基蓝(Methylene blue,MB)可完全矿化。环丙沙星(Ciprofloxacin,CIP)和四环素(Tetracycline,TC)的矿化效率在300 min后分别达到35.1±1.9%和45.6±3.1%。LSCF是一种节能且绿色的载体,可以替代工业石墨毡(GF)作为ECWAO工艺金属催化剂的电极载体。在上述研究基础上,为进一步提高碳载锰氧化物催化性能,论文以GF为基底,采用Co离子对锰氧化进行复合,制备了Mn O-Co O@Co/GF复合材料,并以此为ECWAO反应系统的阳极,考察了其在室温条件下降解有机污染物的催化性能。结果表明,Mn O-Co O@Co/GF复合阳极在催化降解目标污染物磺胺甲恶唑(SMX)污染物方面表现出优异的性能。模型污染物SMX在150 min内可被快速降解,总TOC去除率为78.1±3%。ECWAO过程中,Mn O与Co O@Co复合的纳米粒子催化剂,对O2的活化和SMX的降解有明显的协同作用。并且其作为ECWAO电极具有良好的催化活性、稳定性和耐久性。
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