金属氧化物/活性炭纤维复合阴极电催化降解孔雀石绿及机制研究

摘要

工业废水和城市污水二级出水中难降解有机污染物由于不能被常规污水处理工艺所降解而成为水污染的主要来源之一，给环境造成了严重的危害。以芬顿反应为代表的高级氧化过程是降解甚至矿化这类有机污染物的强劲技术。其中将电化学与芬顿反应结合起来的电芬顿过程，在阴极溶解氧还原持续产生H2O2，高效低能耗等特点而受到广泛关注，但其具有pH适用范围窄、铁泥污染的缺点。 为克服上述缺点，本文将过渡金属催化剂 FeOOH、Mn3O4、MnFe2O4负载于大比表面积的活性炭纤维（ACF）表面，分别制成 FeOOH/ACF、Mn3O4/ACF、MnFe2O4/ACF复合阴极材料，将其应用于类电芬顿过程。孔雀石绿选为目标污染物，以孔雀石绿紫外可见光谱吸光度的变化作为孔雀石绿去除表征，以溶液 TOC作为降解矿化表征，优化了复合阴极的制备条件和电解反应条件，探讨了ACF的酸化、过渡金属氧化物的负载、电辅助吸附、类电芬顿对孔雀石绿去除的贡献，考察了各阴极材料的稳定性。通过在宽的 pH范围内降解过程动力学的分析，体系中溶解氧还原产生的氧化剂的测定，复合阴极材料的XRD、XPS分析，探讨了各体系去除孔雀石绿的氧化降解机理。具体得出以下结果及结论： FeOOH/ACF、Mn3O4/ACF、MnFe2O4/ACF阴极均具有良好的电催化活性，在各自优化条件下对孔雀石绿的去除率分别为99.8%、99.9%、100%， FeOOH/ACF复合阴极COD去除率为95.5%，Mn3O4/ACF、MnFe2O4/ACF复合阴极对 TOC去除率分别为85.8%、87.7%。且各复合阴极稳定性好，重复使用4次后对孔雀石绿的去除率分别达94.0%、99.4%、84.1%； ACF的硫酸改性、FeOOH、Mn3O4、MnFe2O4的负载均可增加孔雀石绿在ACF表面的吸附；而阴极负电位通过静电作用影响孔雀石绿的吸附，与孔雀石绿pKa（10.3）有关，在pH3.0、5.0、7.0介质中可增强质子化的孔雀石绿的吸附，在pH11.0介质中抑制去质子化的孔雀石绿的吸附； 与传统电芬顿反应相比，各体系均拓宽了pH适用范围，其优化pH与负载的催化剂种类有关。FeOOH/ACF、MnFe2O4/ACF、Mn3O4/ACF复合阴极体系中优化pH分别为3.0、5.0、7.0； 在优化pH条件下，FeOOH/ACF、Mn3O4/ACF、MnFe2O4/ACF复合阴极类电芬顿反应均以电极表面的异相催化为主。?O2-和?OH自由基均参与了孔雀石绿的氧化去除。当没有金属氧化物负载时，孔雀石绿吸附在ACF阴极表面，溶解氧得1电子生成的高活性亲电自由基·O2-便立即进攻污染物的富电子端，是 ACF阴极降解孔雀石绿的反应途径；在各复合阴极体系中，除·O2-对孔雀石绿的进攻外，电极表面的?OH也参与了氧化去除孔雀石绿。在低 pH条件下由于金属离子的溶出，溶液中的均相芬顿反应也有一定贡献。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景与意义

1.2电化学氧化技术现状与进展

1.3课题的提出

1.4课题的研究内容

2 ACF、FeOOH/ACF阴极原位降解孔雀石绿及机制研究

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

3 Mn3O4/ACF复合阴极原位降解孔雀石绿及机制研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

4 MnFe2O4/ACF复合阴极原位降解孔雀石绿及机制研究

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2建议与展望

参考文献

致谢

附录