炉渣粒子三维电极的制备及去除水中亚甲基蓝效能研究.pdfVIP

摘要 随着社会的发展和科技的进步，越来越多的化学用品被不断研发和使用，最终被排到水环境中， 造成水环境污染日益严重。其中染料废水是工业废水的一大来源，并且由于其具有生物毒性，难以 通过传统的水处理工艺将其有效去除。电化学氧化技术能将水中有机污染物快速地分解为低毒或无 毒的小分子物质，甚至能够进一步彻底地将其矿化为CO 、H O 和无机盐等，因此成为了去除水中 2 2 难降解有机污染物的研究热点。三维电化学氧化技术能够弥补传统二维电化学技术中的一些缺点， 如有效电流低、有机物降解效率低、处理能耗高等，所以近些年三维电化学氧化技术引起了大量学 者的关注。但是，制作三维粒子电极的材料成本过高，这成为了制约其发展的一大主要因素，因此 研究开发出具有高催化能力且廉价的粒子电极是十分必要的。本论文采用“ 以废治废” 的方法，以工 业固体废弃物热电厂炉渣作为原料制备粒子电极，以亚甲基蓝 (MB)为模型有机污染物，研究三维 电化学体系降解水中亚甲基蓝的性能与机理。同时，为了进一步提高粒子电极的催化能力，对其表 面进行负载金属，并对负载后的新型粒子电极催化能力进行了探讨。本论文开展的具体研究工作如 下： 通过正交试验制备出了具有催化能力的粒子电极，并且研究了制备条件对粒子电极催化能力的 影响。结果表明：制备炉渣粒子电极的最优条件为物料质量配比：炉渣：粘土：成孔 6 ：3 ：1，煅 烧温度为750 ℃，煅烧时间120 min 。对炉渣粒子电极进行了一系列的表征，分析了其表面形貌与物 质结构。结果表明：粒子电极表面具有丰富的孔隙结构，这些孔隙多为中孔结构，粒子电极的主要 组成元素是氧、硅、钙、铝、铁、镁等。在 10 V 电极电压、0.1 mol/L 电解质浓度，粒子电极投加量 为20 g 的实验条件下，三维电化学氧化反应体系对水中亚甲基蓝的降解率可以达到78.1%，比纯二 维的电化学体系高出20%左右。对粒子电极的循环使用能力进行了测试，第一次使用之后粒子电极 对亚甲基蓝的降解效率会有下降，在后续的使用中降解率保持稳定。 实验探究了一系列对三维电化学氧化体系降解水中亚甲基蓝具有影响的因素 （如粒子电极投加 量、电解质浓度、电压强度、溶液初始pH 等）。结果表明：亚甲基蓝去除率随着粒子电极投加量、 电解质浓度及电压强度的增大而增大，体系在酸性条件下对亚甲基蓝的去除率要高于碱性条件下。 确定的最佳工况条件为：电压强度 10 V 、粒子电极投加量20 g 、电解质浓度0.15 mol/L 、初始pH 值 为6 。为探究反应机理，在体系中加入甲醇、叔丁醇及苯酚等自由基淬灭剂进行自由基鉴定实验。 在三维电化学氧化体系中分别添加甲醇和叔丁醇后，亚甲基蓝的去除效率在一定程度上得到了降低， 而添加苯酚后，亚甲基蓝的去除效率显著下降。这表明羟基自由基是该体系降解亚甲基蓝的主要氧 化活性物质，体系中的电流通过炉渣粒子电极时能够激发出羟基自由基，并且亚甲基蓝的降解反应 主要发生在粒子电极的表面而不是溶液中。 采用浸渍-煅烧的方法对炉渣粒子电极表面分别负载三种不同的金属 （锌、铁、锰），负载金属 后的粒子电极对亚甲基蓝的降解率得到了较大的提高。其中负载金属锰的粒子电极去除水中亚甲基 蓝的性能最优，其催化降解亚甲基蓝的效率比原粒子电极提高了40%左右。并对粒子电极负载锰的 条件进行了进一步优化，最终确定的实验条件为：浸渍时间为2 h ，浸渍液浓度为0.5 mol/L ，煅烧 温度为550 ℃ ，煅烧时间为1 h 。 关键词：电化学氧化；三维电化学体系；粒子电极；染料降解 I 炉渣粒子三维电极的制备及去除水中亚甲基蓝效能研究 Abstract With the development of society and the advancement of science and technology, more and more chemical products are developed and used and discharged into the water