稀土镱修饰PbO2电极的制备及电化学降解全氟羧酸的应用研究

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全氟羧酸化合物(PFCAs)是一类典型的难降解有机污染物,具有较强的化学稳定性。本论文从新型稀土元素掺杂Ti基PbO2电极的制备及表征入手,对Pb02电极做了改性研究及性能测试。同时探究了新型Ti/SnO2-Sb/Yb-PbO2电极对全氟辛酸(PFOA)的最佳降解条件,最后提出了PFOA的降解机理并采用LC-MS质谱分析进行了验证。本论文的论文框架如下:首先保持电极制备工艺条件相同,采用涂刷法和电沉积法分别制备三种不同类型的二氧化铅电极。然后对此三种改性电极分别进行系统的物理表征,主要分析仪器包括扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X-射线衍射仪(XRD)等;同时对此三种改性电极进行化学表征,主要表征方法包括循环伏安曲线测试(CV)、线性极化扫描(LSV)、Tafel曲线测试和寿命加速试验;并且采用PFOA的降解效果、脱氟效率等系列指标来评价所制备电极的电催化性能。通过初步对比三个电极对目标污染物的降解效率,发现稀土镱掺杂提高了Ti基Pb02电极的电化学性能,使其涂层表面更加致密饱满、更强的导电性、更高的析氧电位、更出色的电化学性能以及更久的电极寿命。通过表征实验和对PFOA的初步降解实验,确定了Ti/SnO2-Sb/Yb-PbO2电极作为优选电极。继而采用控制变量法,在无隔膜电解槽中,以优选电极为阳极,钛板为阴极,对电解质浓度(Co,10 mg/L-200 mg/L)、电流密度(J,1 mA/cm2-40 mA/cm2)、极板间距(d,5 mm-20 mm)和溶液初始pH值(3-11)等四个变量分别测试,系统地研究了以上因素对PFOA模拟废水电催化氧化降解效率。实验结果可知,在25-C的室温下,当初始PFOA浓度为100 mg/L,电流密度为20 mA/cm2,极板间距5 mm, pH为5时,具有PFOA的最佳降解效率。在此降解条件下,经过150分钟的电解后可以得到PFOA的最大降解率和最大脱氟率分别为95.11±3.9%和76.7±2.8%%。以高效液相色谱和氟离子检测计为检测手段,对150分钟内降解过程中的电解液中间产物进行质谱分析,确定了PFOA的动力学和降解机理。研究结果表明,改性电极对全氟辛酸的降解过程符合一级反应动力学规律。降解机理为首先在阳极表面生成羟基自由基离子(·OH), PFOA不断的被.OH氧化脱去CF2基团生成短链PFCAs并最终氧化为二氧化碳和水。
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