改进氧阴极还原法原位生产过氧化氢研究-环境工程专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 Classified Index: X703.1 U.D.C: 504 Dissertation for the Master’s Degree in Engineering RESEARCH ON IMPROVING CATHODIC REDUCTION OF OXYGEN FOR IN-SITU PRODUCTION OF HYDROGEN PEROXIDE Candidate： Wang Zhihan Supervisor： Prof. Li Chaolin Academic Degree Applied for： Master’s Degree in Engineering Speciality： Environmental Engineering Affiliation： Shenzhen Graduate School Date of Defence： December, 2013 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 摘 要 过氧化氢具有强氧化性，能够在紫外线或 Fe2+的作用下生成羟基自由基，因 而在环境领域具有广泛地应用，但由于过氧化氢价格较为昂贵，不宜长途运输且 不稳定，因而原位生产较高浓度过氧化氢非常有必要。 本论文采用氧阴极还原法原位生产过氧化氢，自行设计并制作了实验装置， 借鉴燃料电池法制作气体扩散阴极并给与改进，探索了气体扩散阴极的制作工艺； 同时对阴极性能展开研究，发现新制阴极具有一个驯化过程，而且运行过程中电 压处于不断波动的状态；为提升阴极的性能，对阴极制作的 4 个主要条件进行了 优化选择；对于毁损阴极，直接扔弃造成成本高昂，因而接着对气体扩散阴极的 重复利用展开了可行性研究。实验装置的运行条件对阴极性能的发挥有着重要影 响，在阴极最佳制作条件下，对各个运行条件进行了系统地研究；接着在最佳的 运行条件下，考察了循环电解并长时间运行的效果。 阴极的运行结果表明，随着电解时间的延长，过氧化氢的累积浓度越高，但 增加的幅度越来越小，最后趋于某一稳定值附近；电流效率也随着电解时间的延 长而逐渐降低。 对阴极制作条件的对比研究表明，在热压压力为 10 MPa、煅烧温度为 300 ℃、 聚四氟乙烯（PTFE）投量为 30%和无造孔剂投加时，阴极性能达到最好，此条件 下，电解 60 min 时，过氧化氢累积浓度可增至 11923.03 mg/L，此时电流效率为 43.90%。 对废弃阴极重复利用可行性研究表明，高温煅烧法能够很好实现此目的，在 阴极最佳制作条件下，阴极性能没有明显变化，电解 60 min 时，过氧化氢累积浓 度可增至 11765.02 mg/L，两者仅相差 167.01 mg/L，此时电流效率为 43.29%，两 者仅相差 0.61%。 电解装置运行参数研究表明，最佳运行条件为：存在 Nafion117 膜，电流密度 为 60 mA/cm2，电极间距为 1 cm，初始 pH=0.5，电解质浓度为 0.10 mol/L，风量 为 40 mL/min。在装置最佳运行条件下，电解 60 min 时，过氧化氢累积浓度可增 至 20096.05 mg/L，此时电流效率为 63.37%。 进行循环电解并长时间运行发现，当循环流量为 15 mL/min 时，运行效果最 好，电解 12 h 时，过氧化氢累积浓度可增至 46042.43 mg/L，此时电流效率为 43.21%。 关键词：过氧化氢；原位；氧阴极还原；气体扩散阴极 - I - Abstract Hydrogen peroxide has strong oxidizing property, and could generate hydroxyl radicals under the activation of Fe2+ or ultraviolet, so it has widely used in the environmental fields. It is very necessary to produce high concentration of hydrogen peroxide in situ, because hydrogen peroxide is expensive, unfavorable long-distance transportation and unstable. In this paper, cathodic reduction of oxygen was used to produce hydrogen peroxide, and the