高效金属掺杂PbO2电极的制备及用于降解典型制药废水的研究

来源 :浙江工业大学 | 被引量 : 23次 | 上传用户:songking99
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制药废水中难降解有机物含量多,且大多数具有较强的毒性和“三致”作用,这类难降解污染物未经处理排入水体后,会长时间残留在水体中,对人体健康和水生生态系统造成了严重的影响。因此,制药废水的治理引起了研究者的关注。电催化氧化技术因其高效、无二次污染物及环境兼容性等优点而被广泛应用于难生物降解废水的治理。电极材料是电催化氧化技术降解污染物的核心,其中,PbO2电极具有低成本、易制备、高析氧电位及良好的化学稳定性等特点,目前已被视为最有应用前景的的电极材料之一。然而,此类电极仍需要进一步改进,如兼顾高催化活性和稳定性,减小能耗等。因此,本论文针对高效的PbO2电极的开发,开展了制备工艺优化、电极表征及电催化氧化污染物的能力等方面的研究工作,并以制药废水阿司匹林和氯霉素为目标污染物。主要研究内容和结果如下:利用PbO2电极电催化氧化阿司匹林,考察电解质浓度、电流密度和阿司匹林初始浓度等工艺参数对降解效果的影响。通过实验结果推断出相对最佳工艺参数条件:阿司匹林初始浓度500 mg/L,电解质Na2SO4浓度0.1 mol/L,电流密度50 mA/cm2,电极间距4 cm。在此条件下降解150 min后,阿司匹林和COD的去除率分别为64.07%和53.53%。并利用IC和GC-MS方法检测出电催化氧化过程产生的中间产物,提出了阿司匹林在电催化氧化过程中可能的降解途径。采用在电沉积液中添加一定量Ni(NO3)2、Al(NO3)3和In(NO3)3的方法对PbO2电极进行改性,当电沉积液中Ni2+、Al3+、In3+与Pb2+的摩尔比为1%时,制得的1%Ni-PbO2电极、1%Al-PbO2电极和1%In-PbO2电极对污染物的去除效果最好,具有最高的电催化活性。利用SEM和XRD技术对改性电极的表面形貌和晶体结构进行表征,发现一定量的Ni、Al、In掺杂使PbO2电极表面结构致密无明显裂缝,能够有效地抑制电催化氧化过程中产生的活性基团渗透到电极内部而形成高阻型的TiO2,使PbO2活性层不易脱落,并且能减小PbO2晶体粒径,使晶体分布更加均匀。极化曲线表明经适量的Ni、Al、In掺杂后,PbO2电极的析氧电位有所提高,有利于抑制析氧副反应的发生。通过电催化氧化阿司匹林的实验可知,与未掺杂PbO2电极相比,Ni、Al、In掺杂PbO2电极对阿司匹林的去除速率较快,并具有更高的矿化程度和电流效率。在单种金属元素掺杂的基础上,通过在电沉积液中同时添加一定量稀土元素La和Y的方法制得La,Y共掺杂PbO2电极。首先对La,Y共掺杂PbO2电极的制备工艺进行优化。然后,通过与PbO2电极、La-PbO2电极和Y-PbO2电极比较发现,稀土元素La和Y共掺杂有利于晶体的发育及晶粒的细化,有利于电极表面比表面积的增大。此现象通过分析不同电极的循环伏安曲线及伏安电量得以进一步证实。最后以阿司匹林为目标污染物,考察不同电极的电催化活性,结果表明:La-Y-PbO2电极对污染物的去除速率最快,矿化程度最高,证实了电极优异的电催化性能,并且改性后的电极电流效率提高,较大程度地降低能耗值。此外,La-Y-PbO2电极表现出良好的重复利用性及安全性。因此,Ni-PbO2电极、Al-PbO2电极、In-PbO2电极和La-Y-PbO2电极的电催化活性和稳定性均优于未掺杂PbO2电极,具有一定的应用前景及研究价值。将制备的Al-PbO2电极应用到难生物降解制药废水氯霉素的降解。首先,考察不同Al掺杂PbO2电极为阳电极的电催化体系对污染物去除效果的影响,再结合不同电极的析氧电位、羟基自由基产生量及其利用率等分析结果,可以断定,当电镀液中Al3+与Pb2+的摩尔比为1%时,Al-PbO2电极具有最高的电催化活性。然后,以Al-PbO2电极为阳极材料,考察不同工艺参数条件对氯霉素降解效果的影响,通过分析推断出相对最佳工艺参数条件:电解质Na2SO4浓度0.2 mol/L,初始pH 3,初始氯霉素浓度500 mg/L,电流密度30 mA/cm2。在此条件下降解150 min后,氯霉素和TOC的去除率分别为87.2%和52.06%,电流效率高达57.08%。并且,Al-PbO2电极电催化氧化氯霉素的过程符合拟一级动力学规律。最后,基于羟基自由基机理,结合检测到的氯霉素降解过程产生的中间产物,探讨了电催化氧化降解氯霉素的可能降解途径。
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