高性能二氧化铅电极材料制备及降解有机废水研究

摘要

我国水污染问题日益严重，污水成分也越来越复杂。近年来，电氧化技术已成为处理难降解有机废水的研究热点，而二氧化铅（PbO2）电极作为高级电氧化技术的关键，探索提高其性能的途径一直是研究者的主要目标。目前影响钛基PbO2电极稳定性的主要原因有两个，一是镀层表面应力大，在使用过程中产生镀层应力开裂，二是由于电极表面不够致密、缺陷多，电解液逐渐渗入到基体表面形成钝化层导致电极失效脱落。为了提高PbO2电极的稳定性，本论文提出通过脉冲电沉积以及掺杂导电聚苯胺的技术途径，研究制备工艺对电极性能的影响，以期制备得到性能改善的PbO2涂层电极。应用制备电极对实际焦化废水进行处理，考察了电解温度、电流密度、初始pH值、强制传质及脉冲电流对焦化废水COD去除率的影响。论文的主要工作及得出的主要结论如下：
　　（1）依据新型双脉冲电源的功能参数，使用不同双脉冲电源工艺参数制备钛基PbO2电极，对制备电极的电化学性能，电催化性能、表面形貌、晶体结构等进行研究，得到脉冲电氧化沉积PbO2的优化工艺参数为正向占空比60％、负向占空比10%、脉冲频率20Hz、脉冲波形为5个正向脉冲数1个负向脉冲数时，制备的电极性能最好。使用双脉冲电流制备的PbO2形稳阳极材料相比直流电源制备的PbO2电极表面更加致密且结晶良好，晶体表现出（110）晶面的择优取向。
　　（2）将导电聚苯胺（PANI）添加至电解液中，与PbO2进行复合共沉积，以制备PbO2-PANI复合电极，结果表明聚苯胺的掺杂使得PbO2电极表面颗粒尺寸明显减小，且电极的电化学性能、电催化性能都得到了提高。在此基础上，结合离子液体[Emim]BF4的辅助电沉积和脉冲电沉积优化工艺，进行高性能PbO2-PANI复合电极的制备工艺探索，考察了离子液体辅助、双脉冲电流模式对制备得到的PbO2-PANI复合电极性能的影响。分别测试了电极材料的电催化去除模拟废水COD、阳极极化曲线、交流阻抗、表面形貌图、晶体结构、加速寿命和红外光谱，比较分析了不同制备方法对PbO2-PANI复合电极性能的影响。结果表明，在Pb(NO3)2电沉积液中同时加入[Emim]BF4和PANI，相比只添加PANI制备的电极的电化学性能、电催化活性都提高了，电极表面变得更加致密。使用脉冲电流制备的PbO2-PANI电极的性能进一步提高，且双脉冲电流制备电极优于单脉冲，脉冲电流相比直流电流更有利于共沉积，有利于提高镀层中导电聚合物的掺杂量；双脉冲镀制的离子液体辅助PbO2-PANI复合电极相比普通PbO2的稳定性、催化活性大幅提高。红外光谱检测表明聚苯胺存在于电沉积层中。
　　（3）以优化后的双脉冲电流制备的PbO2电极为工作电极，电催化氧化处理焦化废水，结果可知，电催化降解焦化废水时，电解液温度越高、电流密度越大越有利于有机污染物的降解去除，但较大电流密度明显不利于提高电流效率。原厂产生的焦化废水为中性，调至碱性条件下（pH=9.28）COD去除效果较好；使用自制的强化传质装置，有利于提高COD去除率，在此基础上，使用脉冲电解可以获得更高的COD去除率。

目录

1绪论

1.1难降解有机废水处理的研究现状

1.2脉冲电流在电沉积中的应用

1.3聚苯胺的性质、应用及复合电沉积

1.4焦化废水概述

1.5研究的内容及意义

2双脉冲电沉积制备PbO2电极工艺优化

2.1实验部分

2.2实验结果与讨论

2.3本章小结

3 PbO2-PANI复合电极材料制备及性能研究

3.1实验部分

3.2实验结果与讨论

3.3本章小结

4改性PbO2电极去除焦化废水COD研究

4.1实验部分

4.2结果与讨论

4.3本章小结

5结论与展望

5.1 结论

5.2展望

参考文献

致谢

附录 攻读硕士期间的研究成果