碱性介质中溶解氧含量对褐煤电化学氧化的影响

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本论文分别采用循环伏安法(CV)和电流-时间曲线法,在三电极体系H型离子隔膜电解反应器中,碱性介质下进行褐煤电化学氧化反应特性研究。与相同实验条件下电解空白氢氧化钾溶液作对比,重点考察了阳极电位和温度对褐煤电化学氧化过程中氧化电流、析氧效率及产品产率的影响。通过置换高纯氮气或高纯氧气来改变阳极室的初始气氛,以探究溶解氧对煤电化学氧化的影响。采用循环伏安法测定镍电极的循环伏安特性及阳极电位的变化规律,对比空白实验,结果表明,相同的阳极电位下电解水煤浆时氧化电流增大。采用电流-时间曲线法,恒定不同的阳极电位进行电解实验。氧化电流随着阳极电位的提高而增加,在1.0 V出现转折;而析氧效率增加,对比空白实验,电解水煤浆时析氧效率下降。这表明,阳极电位增加有利于煤的深度氧化,但过高的阳极电位可能会引发浓差极化和发泡现象。此外,随着阳极电位的增加,氧化产品产率呈现下降的趋势,这进一步证明了较高的阳极电位有利于煤达到深度氧化。相同实验条件下,阳极电位恒定为0.8 V,改变温度进行电解实验。随着温度的升高,氧化电流先增加,达到50℃时出现转折;而析氧效率下降,表明对于水煤浆电解氧化反应温度并不是越高越有利。这可能是由于温度过高,有效地减小了水中溶解氧的含量,促进了析氧反应的正向进行,从而抑制了?OH参与煤氧化反应。但是,析氧效率的下降则表明煤颗粒消耗了分子氧,促进了分子氧参与了煤氧化反应。然而随着温度的增加,产品产率增加,这表明较高的温度并不会促使煤的深度氧化。对比阳极室三种气氛下褐煤电化学氧化过程,发现阳极室的初始气氛对氧化电流和析氧效率的影响很小。对比空白实验,在低电位下电解褐煤时溶解氧发生不同程度的下降,这表明分子氧的确参与了煤电化学氧化反应。各阳极电位下析氧量的顺序为:氮气氛>氧气氛>空气氛,进一步证实了分子氧确实参与了煤氧化反应过程。对原样及其氧化产品进行红外光谱分析、热重分析和热气质联用分析,结果表明煤氧化反应是分步进行的:煤颗粒中芳烃结构优先开环被氧化为水不溶酸(WIA);WIA可以被进一步氧化为分子结构较小的水溶酸(WSA),同时WSA会被深度氧化为CO2和H2O。
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