改性PbO_(2)电极电化学催化裂解的稳定性研究

摘要

目前,国内外污水处理工艺主要以厌氧-缺氧-好氧(A2/O)处理工艺为主,A2/O工艺是一种典型的除磷脱氮工艺,特点是厌氧、缺氧和好氧三段功能明确,界线分明,可根据进水条件和出水要求,人为地创造和控制三段的时空比例和运转条件,只要碳源充足,便可根据需要达到比较高的脱氮效率。然而,传统A2/O工艺存在以下两个缺点:(1)由于厌氧区居前,回流污泥中的硝酸盐对厌氧区产生不利影响;(2)由于缺氧区位于系统中部,反硝化在碳源分配上居于不利地位,影响了系统的脱氮效果。而当发生偷排、漏排等引起的水质冲击时,A2/O工艺很难在短时间内使水质达到排放要求。电解法处理废水具有效率高、适应性强、无二次污染等特点,在处理有机废水方面优势明显。电化学氧化法是通过电极表面的电催化作用在电极上产生强氧化性物质使有机类化合物氧化降解。由产生强氧化性物质的途径和种类决定,该方法可分为直接和间接电化学氧化两类:(1)直接电化学氧化法通过在阳极表面产生金属过氧化物来实现有机类化合物的氧化降解。电极电解水生成羟基自由基(·OH),·OH与金属氧化物(MOx)结合,形成金属过氧化物。金属过氧化物在有机类化合物降解过程中能够抑制钝化层的形成,促进降解的进行。(2)间接电化学氧化法利用电化学反应过程中产生的氧化剂或短寿命中间物使污染物转化成无害物质。通过电化学氧化可以将H_(2)O生成O_(3)或者·OH,这种方法几乎没有污染,但是O3的生成效率强烈依赖于所用的阳极材料和臭氧反应器,在降解有机污染物时电流效率低,能耗大,因而较少直接应用于实际废水的处理中。二氧化铅(PbO_(2))被认为是一种很有前途的阳极材料,对有机废水的电化学降解具有优异的活性。然而,由于和基底的结合能力较差,PbO_(2)电极稳定性较差,溶解析出铅离子会对环境造成二次污染。在本工作中,为了提高PbO_(2)电极的稳定性,在Ti/SnO_(2)-Sb_(2)O_(3)/β-PbO_(2)电极中沉积了10.0μm的α-PbO_(2)薄膜。α-PbO_(2)层不仅可以增加SnO_(2)-Sb_(2)O_(3)和β-PbO_(2)层之间的晶格匹配程度,还可以减小两种不同薄膜之间的内应力。在添加α-PbO_(2)薄膜后,Ti/SnO_(2)-Sb_(2)O_(3)/α-PbO_(2)/β-PbO_(2)电极表现出的催化活性与Ti/SnO_(2)-Sb_(2)O_(3)/β-PbO_(2)电极相比并未降低,但稳定性大大提高。在甲苯二胺(TDA)的电化学氧化中,具有α-PbO_(2)膜的修饰电极可以在2.0 A/cm2的电流密度和4.0 mol/L的H2SO4溶液中保持稳定长达750 min,使用寿命是Ti/SnO_(2)-Sb_(2)O_(3)/β-PbO_(2)电极的1.56倍。同时,本工作还详细研究了TDA的降解途径,报道了一种提高改性PbO_(2)电极稳定性的简便方法。