负载二氧化钛活性炭纤维—石墨板电极电化学氧化含苯酚废水研究

摘要

苯酚是一种常见的有机化工原料，广泛应用于石油化工、染料、造纸、皮革、农药、医药等领域。在生产过程中产生的含酚废水一般具有浓度高、生物学毒性强、难降解与残留期长的特点，使其成为具有突出环境风险的优先监测污染物之一。因此开展含酚废水的处理也随即成为环境工程领域的研究热点。
　　电化学法处理含酚废水具有电流效率高、设备简单、反应条件温和及过程清洁等特点。本课题以普通石墨板为电极内衬，活性炭纤维毡为工作外层制备了活性炭纤维毡-石墨板工作电极；构成了相关电化学反应器。以含苯酚的模拟废水为研究对象，深入地探讨了电化学处理苯酚废水的技术条件、效果及其相关机理。主要研究内容及结果如下：
　　本文以钛酸四丁酯为前躯体，采用溶胶-凝胶法-吸附法将TiO2以一定的质量比负载于活性炭纤维（ACF）上，并在N2气氛中于500℃下煅烧2h，制备成为TiO2/ACF；再将一定面积的TiO2/ACF（7.41cm2）直接粘附在2×5cm（10cm2）石墨板上，构成TiO2/ACF-石墨板工作电极。扫描电镜发现TiO2粒子均匀分布在ACF的表面；线性伏安表明，TiO2/ACF-石墨板电极在苯酚溶液中的电流密度明显地比ACF及石墨板基材有所提高，显示出较好的电化学活性。以TiO2/ACF-石墨板电极作为阳极，普通石墨板为阴极，建立了新型电化学氧化体系。以苯酚模拟废水为研究对象，系统地考察了溶液初始pH值、电流密度、电解质浓度、温度及苯酚初始浓度等因素对苯酚降解率、COD去除率和电流效率的影响，并确定了处理工艺的最佳条件；同时对比分析了TiO2/ACF-石墨板、ACF-石墨板及石墨板三种工作电极降解苯酚的差异。实验结果表明，在25℃下、苯酚初始浓度为100mg/L、pH为6.20、电流密度为7.14mA/cm2、电解质（Na2SO4）浓度为0.0750mol/L时，电解1h后，TiO2/ACF-石墨板电极对苯酚降解率和COD去除率为最大，分别为83.3%与47.0%；而后两种电极所对应的苯酚降解率与COD去除率分别为67.7%与35.8%及45.0%与28.4%。
　　在此基础上，向实验体系中分别加入了媒质阳离子Mn2+和阴离子Cl-，探讨它们对苯酚间接电化学氧化降解的影响。结果表明，与苯酚在TiO2/ACF-石墨板电极上的直接氧化相比，在相同条件下Mn2+或Cl-的参与可使苯酚的降解效率提高11%或8%。
　　为阐明TiO2/ACF-石墨板、ACF-石墨板及石墨板三种工作电极对苯酚降解的可能途径与降解机理，在上述条件下测定了各个体系中的·OH产生速率，分别为：0.09mmol/L·h、0.06mmol/L·h及0.03mmol/L·h。显然TiO2/ACF-石墨板工作电极的氧自由基产生速率最大，这可能是引起三种工作电极对苯酚及COD去除效率差异的直接原因。进一步利用HPLC及IC等手段测定了这三种电极为阳极在上述最优条件下降解苯酚的中间产物，结果发现：苯酚及中间产物在TiO2/ACF-石墨板电极上的氧化速度比在ACF-石墨板电极和石墨电极上快；这可能是因为TiO2的催化作用及其高析氧电位，使体系中·OH产生速率加快所致。但在三种电极体系中，苯酚均先被氧化成对苯醌、对苯二酚及邻苯二酚，因苯酚的进一步生成羟基化产物，表明·OH的存在。随·OH作用的进一步加强，这些初始中间产物继续氧化生成顺丁烯二酸和D-苹果酸，随后又被氧化成草酸及甲酸，最终生成CO2和H2O。此外，在以TiO2/ACF-石墨板为阳极的电化学体系中分别加入正丙醇、叔丁醇、丙三醇及葡萄糖四种不同羟基化合物，发现苯酚的降解率均略有提高；COD去除率除叔丁醇体系随电解时间延长呈下降趋势外，其余三者对COD去除率的影响不大。这说明在此过程中·OH等含氧自由基可能分别扮演着重要角色。

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第一章 绪论

1.1 含酚废水的处理方法及研究现状

1.2 电化学氧化法降解苯酚废水的机理

1.3影响电化学氧化技术效率的主要因素

1.4课题研究的目的、意义及内容

第二章 实验内容与方法

2.1 TiO2/ACF-石墨板电极的制备

2.2 TiO2/ACF的分析表征

2.3实验装置的建立与实验方法

2.4测定指标及其分析方法

2.5 实验仪器和试剂

2.6 数据处理

第三章 结果与讨论

3.1 TiO2/ACF-石墨板电极表征

3.2 电化学反应器的电极对选择

3.3 TiO2/ACF-石墨板电极电化学氧化苯酚的主要影响因素

3.4 苯酚在TiO2/ACF-石墨板工作电极上的可能降解机理

第四章 结 论

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢