膨胀石墨基复合电极的制备及电催化氧化降解含酚废水的研究

摘要

苯酚是一种常见的工业污染物,具有排量大、污染广、难降解等特点。
　　 本文以压缩膨胀石墨为基体、蔗糖为炭源、磷酸为活化剂,经炭化、活化制得膨胀石墨基炭/炭复合电极(expandedgraphite-basedcarbon/carboncompositeelectrode,EGC电极)。考察了蔗糖溶液浓度、膨胀石墨(EG)压缩密度、活化温度、磷酸/蔗糖浸渍比对电极表面形貌和孔道特征的影响规律,采用SEM、XRD、低温液氮吸附法、伏安扫描电化学法等手段对膨胀石墨基炭/炭复合电极的结构、性能进行研究。结果表明:当蔗糖溶液浓度为50%、EG压缩密度为24kg/m3、磷酸/蔗糖浸渍比为0.9、活化温度为350℃时,所得电极具有最佳的苯酚废水处理性能。电极孔隙发达,机械强度良好,比表面积、孔容分别达到1643m2/g和0.89mL/g。EGC电极以膨胀石墨为骨架,活性炭以炭膜形式铺展在膨胀石墨的二级孔道表面,保留了膨胀石墨的片层网络结构,其孔径主要分布在0.5nm-2nm之间,以微孔为主。电化学性能分析表明,苯酚在电极表面发生直接氧化,氧化峰大约在1.5V,且苯酚的氧化反应是不可逆的。
　　 以制备的EGC电极为阳极,不锈钢电极为阴极,在自制的玻璃反应槽中进行苯酚废水电催化氧化降解的实验研究。系统研究了电流密度、苯酚初始浓度、电解质浓度、电极间距、初始pH值等因素对电催化氧化降解苯酚效果的影响,并对电催化反应机理进行了分析。结果表明:具有高比表面积和孔容的复合电极将苯酚小分子吸附富集在表面,有利于苯酚的电催化氧化,实现了吸附一电催化的协同作用。降低苯酚初始浓度、提高电流密度、增加电解质浓度、减少电极间距均有利于苯酚降解速率的,而pH值对降解效果影响较小。实验得到最佳工艺参数为苯酚电流密度20mA/cm2,苯酚初始浓度100mg/L,Na2SO4浓度0.05mol/L,电极间距2cm。
　　 为进一步提高电解效率,本文研究了负载TiO2复合炭电极对苯酚废水的电催化效果。采用炭膜包裹技术将TiO2固载在EGC电极表面,通过工艺优化,当蔗糖浓度为0.5%,TiO2负载量为10.2%,热处理温度为450℃时,负载TiO2复合炭电极具有最好的苯酚处理性能。TiO2负载工艺保证了TiO2均匀分布在EGC复合电极表面,且保留了EGC的微观形貌。通过多孔炭电极的负载,一方面提高了复合电极的析氧电位,从而大大提高复合炭电极的催化效率和催化活性;另一方面,复合炭电极的吸附能力又可以为TiO2的电催化反应提供高浓度反应环境,从而提高电催化反应速率。
　　 催化反应动力学研究表明,复合炭电极的苯酚吸附一催化动力学可以用准一级动力学模型进行描述,相关系数R2=0.9935,而零级反应主要适用于吸附的初始阶段。负载TiO2复合炭电极以吸附富集一电催化降解一扩散再吸附富集的过程循环进行,形成了吸附一催化的协同作用机制,有利于提高苯酚的处理效率。