硼掺杂金刚石薄膜电极降解苯酚历程研究

摘要

电催化氧化技术被认为是处理环境中难降解有机物的一种经济有效的方法，在电解产生的强氧化剂羟基自由基(如 OH)的攻击下，目标物发生氧化反应，转化为其它结构形式的有机物或被最终降解为CO2和H2O。由于反应过程中出现大量的中间产物，相对于原始物，某些中间产物可能对人体及环境产生更大的威胁，尤其是近年来随着人们对环境问题认识的深入，对各种水处理技术的要求已不仅仅满足于目标物的去除，这使得对反应中间产物及最终产物的鉴定日趋重要。电化学催化氧化关键在于阳极材料的选取，不同的电极材料对同一目标物及其中间产物的分解能力不同，因此存在不同反应历程。rn 本文以直流热阴极化学气相沉积(chemicalvapor deposition，CVD)技术制备的硼掺杂金刚石薄膜为阳极、不锈钢材料为阴极组成了电催化氧化体系。以500mg/L．的苯酚为目标污染物，电极有效面积为4cm2，电极间距为2cm，反应液体积为85mL，电流密度设定为10 mA／cm2，分别利用高效液相色谱法和离子排阻色谱法对降解过程中产生的酚琨类及有机酸类中间产物进行定性定量分析，并实时测定反应过程中溶液pH值的变化，以研究苯酚在该电极上的电化学降解路径，探讨其反应机理，对其它苯系污染物的降解机理提供依据。rn 研究结果表明，苯酚在开环之前的中间产物以对苯二酚为主，但与其它电极材料的电化学降解过程不同的是，苯醌的生成量极少。分析其原因，可能是在H+大量存在的情况下苯醌与对苯二酚的氧化还原反应会向着生成对苯二酚的方向进行，这与反应过程中检测到的pH值为3．7-4．3相符。反应1h时对苯二酚量达到最高值，但积累量不到0．5 mg／L。说明BDD电极对苯二酚的氧化降解速率较大，不存在累积现象。酚琨类芳香族有机物再进一步受羟基自由基'OH的攻击发生开环反应生成小分子有机酸。rn 本实验对七种典型有机物中间产物进行了检测，结果表面这七种有机酸都存在，且积累量由多到少依次为：乙酸>甲酸>丙二酸>草酸>丁二酸>顺丁烯二酸=反丁烯二酸。可见，分子量越小其积累量越大，其中乙酸积累最多，而顺、反丁烯二酸的积累量极少，说明这两种物质的生成速率远小于降解速率，在该电化学反应体系中发生了还原反应，还原为丁二酸，后者再进一步发生氧化，生成更小分子的有机酸，并最终被降解为CO2和H2O等。反应15h时仍然有乙酸和草酸的存在．但其余各酸及酚醌类化合物均已检测不出，说明BDD电极对乙酸和草酸的降解能力较差。而此时溶液pH值为4．3，显然是由于酸的积累作用导致的。rn 基于上述分析，本研究最终提出了苯酚在硼掺杂金刚石薄膜电极上的降解反应历程。