硼掺杂金刚石膜电极电氧化降解对氯苯酚废水

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有毒难降解有机废水的治理已经成为研究的热点,电催化氧化法在处理生物难降解有机污染物方面具有降解效率高、无二次污染等优点,越来越引起人们的广泛关注。电氧化降解有机污染物中阳极材料的选用十分关键。近年来,硼掺杂金刚石(Boron-doped diamond,以下简称BDD)膜电极以其优异的物理化学性能引起了人们的密切关注。本论文通过BDD膜电极的制备,选择对氯苯酚作为处理物,较系统地研究了BDD膜电极的电化学性能,并对对氯苯酚的电氧化行为和降解工艺进行了一定的探索,初步提出了对氯苯酚的降解机理。循环伏安法研究结果表明,BDD膜电极具有较宽的电位窗口和高析氧电位,在酸性、中性、碱性介质中的电位窗口依次为3.3V、3.8V、2.7V,析氧电位依次为+2.3V,+2.1V,1.0V;BDD膜电极表面的析氧反应是一个非常复杂的电化学过程,析氧过程中易产生羟基游离基等强氧化活性物质;BDD膜电极上在铁氰化钾体系中的反应可逆性较好,电极过程主要受液相扩散过程控制。通过对BDD膜电极在对氯苯酚溶液中的循环伏安、恒电位阶跃和电化学交流阻抗谱等测试,结果表明,对氯苯酚在BDD膜电极上会发生复杂的电化学反应,在低电位下对氯苯酚在BDD膜电极表面发生直接电化学氧化,电极表面易形成有机膜导致电极钝化失活,在高电位下则同时发生直接电化学氧化和间接电化学氧化,间接电氧化过程中产生的活性中间物(·OH)能将电极表面的有机物氧化降解,电氧化过程中电极表面始终能保持良好的电化学活性。在无隔膜电解槽中,以BDD膜电极为阳极,不锈钢为阴极,对高浓度对氯苯酚的模拟废水进行电解,系统考察了阳极电流密度、初始对氯苯酚浓度、初始电解液pH值和支持电解质(Na2SO4)浓度对对氯苯酚降解的影响。正交优化试验获得的电氧化降解最佳反应条件为:阳极电流密度60mA·cm-2、初始电解液pH 7、支持电解质浓度10g·L-1、初始对氯苯酚浓度10mmol·L-1,在此最佳工艺参数下,COD去除率可达96.1%,平均电流效率可达50.2%。与二氧化铅电极对比,BDD膜电极对对氯苯酚具有更好的降解效果。结合高效液相色谱和液质联用技术,对BDD膜电极电氧化降解对氯苯酚的机理进行了初步分析。采用活性炭预吸附-BDD膜电极电解联合技术降解低浓度对氯苯酚废水,考察了活性炭用量、阳极电流密度、支持电解质浓度、电解液初始pH值的影响。结果表明:与单独活性炭吸附和单独BDD膜电极电解相比,吸附-电解联合技术对低浓度对氯苯酚废水具有很好的去除效果。在优化条件下,初始对氯苯酚浓度为200 mg·L-1、活性炭用量2g·L-1、阳极电流密度15mA·cm-2、支持电解质浓度8g·L-1、电解液初始pH值7时,联合技术COD去除率去除率达到98%,并且活性炭五次循环使用后保持了很好的性能,吸附和电解之间存在较好的协同效应,活性炭的吸附提高了电解效率,电解使活性炭得到再生,强化了活性炭的催化作用,从而提高了对氯苯酚的去除速率。同时,活性炭的再生使其能够重复使用,降低了处理成本,减少了资源的浪费。
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