探究自制钙钛矿LaNixY1-xO3催化剂电极降解全氟辛酸废水

摘要

随着相关领域研究的日益成熟，越来越多的学者意识到全氟化合物的难降解性、环境持久性及生物蓄积性，其中全氟辛酸(PFOA)作为全氟有机化合物的典型代表之一，它具有生殖、诱变、发育等多种毒性，也被纳入难降解持久性有机污染物(POPs)的行列中。目前处理全氟辛酸的相关的研究尚处于发展阶段，有效降解的研究尚未成熟，本论文主要是运用电化学方法，结合高级氧化技术降解全氟辛酸废水，为有效的降解全氟辛酸废水提供一种降解途径。
　　本论文中，在钙钛矿催化剂气体扩散电极制备方面，对掺杂不同元素的钙钛矿催化剂LaNixY1-xO3(Y=Cu，Co，Sr，Fe)电极进行参数优化实验，并对电极的性能进行分析表征;在钙钛矿催化剂气体扩散电极应用方面，通过以自制电极为阴极、普通石墨电极为阳极，对PFOA废水的降解机理和降解路径进行了探究。
　　本实验以在电化学领域应用广泛的金属型钙钛矿LaNiO3为基体，采用凝胶-溶胶法和柠檬酸络合法，催化剂进行B位掺杂，制备出掺杂不同金属离子的钙钛矿LaNixY1-xO3,另外采用多种表征手段如循环伏安法(CV)、亚甲基蓝表征法、透射电镜表征(TEM)、扫描电镜表征(SEM)、热重-差热分析法、X射线衍射法(XRD)分析掺杂不同金属元素钙钛矿催化剂以及相应气体扩散电极的性能差异，结果表明，在750℃焙烧温度下，催化剂掺杂金属元素Sr，且La、Ni、Sr元素摩尔比为1∶0.8∶0.2,钙钛矿催化剂颗粒分布更加均匀，气体扩散电极电催化活性提升最大;同时通过正交试验的方法确定石墨与聚四氟乙烯(PTFE)的质量分别为5.4g、2g，气体扩散电极的焙烧温度为330℃，焙烧时间为120min时，电极的降解性能最佳。
　　实验采用自制的钙钛矿LaNi0.8Sr0.2O3气体扩散电极降解PFOA废水，通过分析不同电流密度、pH、PFOA初始浓度等降解参数得出，在电流密度为20mA/cm2、pH为5、初始浓度为100mg/L，经过150min降解后剩余PFOA的浓度为10 mg/L，除氟率可达到75％;同时论文探讨了电流密度与初始浓度对PFOA降解效果的影响，并得出其降解过程符合一级动力学方程;通过高效液相色谱-质谱仪(HPLC-MS)分析溶液中的降解产物，对溶液中PFOA的降解路径进行探索，实验结果表明PFOA在具有强氧化能力的HO·和O2的共同作用下，一步步脱掉CF2基团，氧化为短链的全氟羧酸化合物，最终被降解成F-和CO2。
　　本论文为有效的降解全氟类化合物提供一种技术案例，同时丰富了PFOA废水处理的研究理论。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 国内外研究背景

1．2 全氟辛酸的理化性质、来源、危害及处理技术

1．2．1 全氟辛酸的理化性质

1．2．2 全氟辛酸的来源与危害

1．2．3 全氟辛酸的处理技术

1．3 电Fenton法处理废水简介

1．3．1 EF-H2O2-FeOx法

1．3．2 EF-H2O2-FeRe法

1．3．3 EF-FeOx法(牺牲阳极法)

1．3．4 EF-H2O2法(阴极电Fenton法)

1．4 气体扩散电极

1．5 钙钛矿简介

1．6 钙钛矿催化剂制备方法

1．6．1 固相反应法

1．6．2 微乳液法

1．6．3 凝胶溶胶法

1．6．4 柠檬酸络合法

1．7 研究目的及内容

1．7．1 研究目的

1．7．2 研究内容

第二章 实验材料及研究方法

2．1 实验仪器和实验试剂

2．1．1 实验仪器

2．1．2 实验试剂

2．2 实验装置

2．3 测试分析方法

2．4 实验技术路线

第三章 钙钛矿催化剂与电极的制备

3．1 催化剂LNY制备工艺

3．2 气体扩散电极制备工艺

3．2．1 预处理

3．2．2 气体扩散电极的制备

3．3 气体扩散电极制备工艺的优化

3．4 降解前后电极的损益分析

3．5 本章小结

第四章 钙钛矿催化剂表征与制备工艺优化

4．1 掺杂元素对催化剂LaNiO3影响分析

4．2 掺杂元素Co、Cu、Fe、Sr对催化剂LaNiO3影响表征

4．2．1 循环伏安法表征

4．2．2 亚甲基蓝表证

4．2．3 TEM表证

4．2．4 XRD表征分析

4．3 焙烧温度对催化剂LNS影响分析

4．4 Ni、Sr配比对催化剂LNS影响分析

4．5 本章小结

第五章 全氟辛酸降解研究

5．1 全氟辛酸溶液配制

5．2 氟离子浓度测定准备

5．2．1 氟离子标准液的配制

5．2．2 标准曲线

5．2．3 脱氟率计算方法

5．3 全氟辛酸测定分析方法

5．3．1 全氟辛酸降解流程

5．3．2 HPLC-MS测试条件

5．4 结果与讨论

5．4．1 钙钛矿催化剂电极对全氟辛酸降解效率比较

5．4．2 电流密度对全氟辛酸降解效果影响分析

5．4．3 pH对全氟辛酸降解效果影响分析

5．4．4 初始浓度对全氟辛酸降解效果影响分析

5．5 全氟辛酸降解机理研究

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间获得成果