改性PbO2电极的制备及用于水中苯酚污染物的降解研究

摘要

随着技术进步，工业发展，大量的有害污染物进入环境当中。因此，环境中污染物的去除已成为现代工业可持续发展的主要问题和关键因素。电化学氧化法因其氧化能力强而受到了广泛的关注。目前，如何增强电极的催化性能，提高降解能力，延长电极使用寿命是国内外研究者的主要研究方向。
　　PbO2电极与其他电极相比具有析氧电位高，耐腐蚀性强，价格低廉等优点大量应用于电化学氧化过程中。本文主要针对PbO2电极进行改性，进一步提高电极的氧化能力，提升电极的析氧电位以抑制析氧副反应的发生，同时延长电极的使用寿命，降低降解过程中铅在溶液中的溶出率。对电极的改性，降解条件，以及电化学氧化降解苯酚效率等方面进行了研究。主要内容如下:
　　在钛金属板表面应用涂抹-热沉积法制备SnO2-Sb活性中间层，利用电沉积法在电极表面覆盖β-PbO2活性涂层。应用氧化石墨对PbO2电极进行改性，以提高电极的导电性。通过在电沉积溶液中加入0.5g·L-1，0.8g·L-1，1.0g·L-1，1.5g·L-1氧化石墨，制备了氧化石墨(Graphite oxide，GO)改性PbO2电极，并对不同氧化石墨的添加量进行比较，探究氧化石墨对电极性能的影响。利用SEM，XRD等对电极表面形态进行分析，结果显示电极最外层的β-PbO2为四方晶体，氧化石墨的加入能够减小PbO2的晶粒尺寸，增大电极表面的有效面积。用循环伏安，动力学分析对电极的析氧反应性能进行测试，发现氧化石墨的加入能显著提高电极的析氧电位，提升电子转移速率，降低能量损失。其中PbO2-GO(1.0)电极的析氧电位达到了1.997V。采用Tafel曲线进行电化学动力学分析发现PbO2-GO(1.0)电极的Tafel斜率和交换电流密度分别达到了0.54686V和2.70×10-6A·cm-2。
　　利用改性PbO2电极，在100mg·L-1的苯酚模拟废水中对电极的电化学氧化性能进行测试，对电化学降解苯酚过程中的降解率和动力学进行了研究。采用三电极体系，降解120min，利用4-氨基安替比林分光光度法对苯酚含量进行测定。探究了不同的改性PbO2电极的降解效果，并对电流密度，苯酚初始浓度，电解质浓度，极板间距，电解时间等因素对降解效果的影响进行研究。发现PbO2-GO(1.0)电极的电化学降解效果较好。对实验条件的研究结果为，当电流密度为30mA·cm-2，两极板间距为1cm，电解质Na2SO4浓度为0.1mol·L-1，苯酚初始浓度为100mg·L-1时，通电120min，降解率最高为91％。通过拟合发现电化学降解苯酚的过程符合一级动力学反应。
　　聚乙烯亚胺(Polyethyleneimine，PEI)为一种聚合物阳离子表面活性剂，其在溶液中可以形成胶束抑制粒子生长，并由于静电作用增强了氧化石墨的分散性。因此利用PEI与氧化石墨共同掺杂制备PbO2电极，通过SEM看出，PEI的加入使PbO2涂层表面更加光滑，减少了孔隙与裂痕。对电极进行加速电极寿命测试，可以看出PEI的加入有效延长了电极的使用寿命。利用ICP-MS对电极在降解过程中铅的溶出率进行测试，发现PEI的加入对钱的溶出起到了很好的抑制作用。通过循环伏安分析看出，PEI的加入对电极的析氧电位并没有太大的影响，并且降解效率有小幅度提升。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 废水中有机污染物的来源与危害

1．2 苯酚废水的特点

1．3 废水中有机污染物的处理方法

1．3．1 物理法

1．3．2 生物法

1．3．3 化学法

1．4 电化学氧化技术的研究进展

1．4．1 电化学氧化技术的基本原理

1．4．2 阳极材料的种类与研究进展

1．5 课题研究的意义与内容

1．5．1 课题研究的意义

1．5．2 课题的研究内容

第二章 氧化石墨改性PbO2电极的制备及性能研究

2．1 引言

2．2 实验试剂与仪器

2．3 电极的制备

2．3．1 氧化石墨的制备

2．3．2 钛基板的预处理

2．3．4 PbO2-GO涂层的制备

2．4 电极材料表征

2．4．1 扫描电子显微镜(SEM)分析

2．5 电化学降解苯酚废水的研究

2．6 结果与讨论

2．6．1 电极表面形态表征

2．6．2 SnO2-Sb2O3层的X射线衍射分析

2．6．3 PbO2层的X射线衍射分析

2．6．4 循环伏安曲线

2．6．5 析氧反应动力学分析

2．6．6 PbO2电极电化学降解性能测试

2．7 本章小结

第三章 PEI-GO改性PbO2电极的制备及性能研究

3．1 引言

3．2 实验试剂与仪器

3．3 Ti／SnO2-Sb2O3／PbO2-PEI-GO电极的制备

3．4 电极材料表征

2．4．1 扫描电子显微镜(SEM)分析

2．4．4 电化学降解苯酚废水的研究

2．4．5 加速寿命测试

3．5 结果与讨论

3．5．1 电极表面形态表征

3．5．2 X射线衍射分析

3．5．3 循环伏安测试

3．5．4 析氧反应动力学分析

3．5．5 PbO2电极电化学降解性能测试

3．5．6 加速电极寿命测试

3．6 本章小结

第四章 结论

参考文献

致谢

科研成果

作者及导师简介