超声辅助电催化氧化降解水中苯酚、苯甲酸和水杨酸的研究

摘要

本文以苯酚、苯甲酸、水杨酸为研究对象，首次系统地研究了超声辅助电催化氧化技术降解水中有机污染物的处理效果、影响因素以及动力学特征；对超声辅助电催化氧化降解有机污染物的机理进行了深入研究和理论阐释；此外，对有机污染物在NaCl和Na2SO4两种不同介质体系中的超声辅助电催化氧化降解反应过程和机理也进行了比较研究。 以典型污染物苯酚为主要研究对象，对Na2SO4体系中影响超声辅助电催化氧化降解效果的主要因素进行单因素实验分析、正交试验分析和回归正交试验分析。研究表明，最佳的工艺操作参数为：电流密度30 mA·cm-2，初始pH值10，超声声强27.1 W·cm-2，支持电解质(Na2SO4)的浓度20 g·L-1。其中，电流密度和初始pH值对苯酚降解效果有显著的交互作用影响(α=0.005)。 非线性最小方差拟合(NLSF)发现：在电催化氧化和超声辅助电催化氧化降解苯酚、苯甲酸和水杨酸的过程中，溶液COD值的衰减均符合表观一级反应动力学规律；在超声的辅助作用下，苯酚、苯甲酸和水杨酸溶液COD值衰减的表观一级反应速率常数均大于无超声作用下的反应速率常数。 将迭代目标转换因子分析法(ITTFA)用于分析水杨酸电催化氧化和超声辅助电催化氧化降解过程中的动力学谱一紫外吸收光谱组成的数据矩阵，发现在水杨酸的降解过程中，有对所测波长范围内的光有吸收的中间体生成；通过进一步分析，得到了难以直接测量的中间体的动力学信息及其吸收光谱。水杨酸的电催化氧化和超声辅助电催化氧化降解均符合一级反应动力学规律，NLSF拟合得其一级反应速率常数分别为0.0216 min-1和0.0340min-1。 通过GC-MS分析有机物氧化降解的主要中间产物，辅以细胞色素c(Ⅱ)一比色法测定降解过程中产生的·OH及·OH清除剂(甘露醇)抑制作用检验，证明了超声辅助电催化氧化体系中确实产生了·OH，且它在有机污染物的降解过程中起主要作用。对DSA催化电极上产生·OH的机制及其与苯酚、苯甲酸、水杨酸的可能反应途径进行了深入探讨。 研究认为，超声可以提高多相电催化反应过程的速率和效率，超声作用增效电催化氧化降解过程主要是通过促进反应体系的传质过程，影响电极表面层和电子转移过程来实现的。 在含NaCl体系中，电解产生的氯系氧化剂的间接氧化作用与电催化产生的·OH的直接氧化作用相互协同，促进了有机污染物的氧化降解。 关键词：电催化氧化，超声，空化效应，·OH，ITTFA，降解机理

目录

文摘

英文文摘

第一章 导言

第一节难降解有机污染物的高级氧化技术综述

第二节课题的研究背景、意义和研究内容

第二章 电催化氧化、超声降解技术及超声电化学研究综述

第一节电催化氧化降解技术

第二节超声降解技术

第三节超声电化学(Sonoelectrochemistry)

第三章实验材料、实验方法与分析测试方法

第一节电催化氧化降解实验装置与方法

第二节超声降解实验装置与方法

第三节超声辅助电催化氧化降解实验装置与方法

第四节分析测试方法

第四章 超声辅助电催化氧化降解技术的影响因素研究-苯酚作为目标污染物

第一节单因素分析

第二节影响因素的正交实验研究

第三节本章小结

第五章超声辅助电催化氧化降解苯酚、苯甲酸和水杨酸-降解反应动力学研究

第一节降解反应表现动力学研究

第二节降解反应过程中的UV分光光度扫描分析

第三节迭代目标转换因子分析法(ITTFA)研究水杨酸的降解动力学

第四节本章小结

第六章超声辅助电催化氧化降解技术的机理研究

第一节降解过程中·OH的检测

第二节降解中间产物的GC-MS分析

第三节污染物的降解机理和反应途径探讨

第四节超声增效电催化氧化降解过程的理论阐释

第五节本章小结

第七章含NaCl体系中苯酚、苯甲酸、水杨酸的降解研究

第一节 含NaCl体系中苯酚的降解过程

第二节含NaCl体系中苯甲酸的降解过程

第三节含NaCl体系中水杨酸的降解过程

第四节含NaCl体系中电催化氧化机理探讨

第五节本章小结

第八章结论与建议

第一节结论

第二节建议

参考文献

附录

致谢

攻读博士学位期间已发表的论文