掺杂石墨烯气体扩散电极电—Fenton法处理三氯生模拟废水的研究

摘要

三氯生(TCS)具有快速且良好的杀菌效果，并且在除臭、抑菌方面也有突出的功效，是药品及个人护理品（Pharmaceutical and personal care products，PPCPs）中一种典型的广谱抗菌消毒剂，普遍存在于个人护理品如化妆品、除臭剂、漱口水、肥皂和药膏当中，同时还存在于被褥、厨房器具、零食、玩偶和垃圾袋等一些家庭用品当中。研究表明，在厌氧环境下TCS往往难以被微生物降解，从而长期滞留于环境中，对生态系统和人类健康构成潜在的威胁。目前，传统的饮用水和废水处理厂没有专门针对TCS的处理工艺，现有的处理工艺并不能将其完全去除。电-Fenton法作为一种高级氧化技术，具有操作比较简单，容易实现自动控制，处理效率比较好的特点，更适合于难生物降解的有机废水的处理，近年来倍受研究者的关注。阴极电极氧还原产生H2O2作为电-Fenton体系的核心部分，更是引起人们极大地研究兴趣。开发研制出合适的阴极电极，增加氧气向电极表面传质、提高对氧还原反应的催化活性，从而提高H2O2产率至关重要。与碳纳米管和富勒烯相比，石墨烯具有更为优异的机械性能以及良好的导电性和化学稳定性，结合其特殊的单原子层平面二维结构及其高比表面积，可作为优异的燃料电池、锂离子电池和超级电容器电极材料。基于此，本研究制备了良好氧还原催化活性的掺杂石墨烯的气体扩散电极，以其为阴极，铂片电极为阳极，构建了电-Fenton高级氧化体系，探讨了石墨烯掺杂比例、电流密度、电解质浓度等因素对H2O2的积累浓度和电流效率的影响，并应用此体系降解含有TCS的模拟废水，优化了溶液初始浓度、电解液pH值和外加Fe2+浓度等工艺参数对TCS降解效率的影响。具体内容如下:
　　首先采用改进的Hummers法制备氧化石墨，将制得的氧化石墨施以超声波进行层间剥离和分散，最终得到氧化石墨烯分散液(GO)，采用水合肼化学法还原制得石墨烯(rGO)，采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱仪、X射线光电子能谱(XPS)等现代测试技术，对rGO的表面结构、化学组成、纯度等性能进行表征。扫描电镜和透射电镜结果显示rGO透明、褶皱的片状结构，FT-IR、XRD、拉曼光谱、XPS结果表明GO表面的大量含氧官能团被去除，GO被成功地还原为rGO。
　　然后将制备的rGO与60％聚四氟乙烯(PTEE)乳液及石墨粉按一定比例混合，固定在不锈钢网面上，压实，锻烧，制得石墨烯/石墨粉气体扩散电极(rGO/C电极)。以rGO/C电极为阴极，铂电极为阳极，甘汞电极为参比电极组成电-Fenton体系，评价电极的产生H2O2的能力。实验结果表明，石墨烯与石墨的质量比例为1∶8，电流密度2.0mA/cm2，电解液Na2SO4浓度0.05 mol/L时，经180 min电解H2O2的积累浓度可达187.1 mg/L。电极对氧还原反应具有较好的电催化稳定性，重复使用10次，H2O2的积累浓度仅下降7％。
　　最后分别以rGO/C电极为阴极，铂电极为阳极，甘汞电极为参比电极构建电-Fenton体系用以降解TCS模拟废水，研究溶液初始浓度、外加Fe2+浓度、溶液PH等工艺参数对降解过程的影响。结果表明，初始浓度为45 mg/L的TCS溶液在pH3.0、0.75 mmol/LFe2+和电流密度2.0 mA/cm2的条件下，经过180 min电解，降解率可以达到73.9％，为电-Fenton技术处理TCS的实际应用提供理论基础和技术参数。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 三氯生的性质、毒性及治理现状

1．1．1 三氯生的物理化学性质

1．1．2 三氯生的毒性

1．1．3 三氯生的治理现状

1．2 高级氧化技术

1．2．1 化学氧化法

1．2．2 光催化技术

1．2．3 臭氧氧化技术

1．2．4 电化学氧化技术

1．3 电-Fenton阴极电极

1．3．1 阴极氧还原生成过氧化氢

1．3．2 阴极电极种类

1．4 石墨烯和石墨材料的研究现状

1．4．1 石墨烯的研究现状

1．4．2 石墨的性质

1．5 本文的目的、意义、主要研究内容

1．5．1 目的和意义

1．5．2 主要研究内容

2 石墨烯的制备和表征

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 材料、药品和试剂

2．2．2 试验主要仪器和装置

2．2．3 实验方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 氧化石墨烯和石墨烯的电镜结果

2．3．2 氧化石墨烯和石墨烯的红外光谱结果

2．3．3 氧化石墨烯和石墨烯的拉曼光谱结果

2．3．4 氧化石墨烯和石墨烯的XRD结果

2．3．5 氧化石墨烯和石墨烯的XPS结果

2．4 小结

3 掺杂石墨烯气体扩散电极产生过氧化氢的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．1．1 实验中的主要药品和试剂

3．1．2 实验中的主要仪器

3．1．3 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 石墨烯改性气体扩散电极的性能研究

3．3．2 石墨烯改性气体扩散电极的稳定性研究

3．3 小结

4 电-Fenton系统氧化降解三氯生模拟废水的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验中的主要药品和试剂

4．2．2 实验中的主要仪器

4．2．3 实验方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 三氯生初始浓度对电-Fenton体系氧化降解三氯生性能的影响

4．3．2 电解液pH对电-Fenton体系氧化降解三氯生性能的影响

4．3．3 Fe2+对电-Fenton体系氧化降解三氯生性能的影响

4．3．4 电-Fenton体系氧化降解三氯生的TOC变化

4．4 小结

5 结论与建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢