过硫酸盐的电合成及其在微蚀刻液循环再生中的应用研究

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过硫酸盐在化工、轻工、食品、石油及印刷电路板等工业领域有广泛的应用,其需求量与产量呈逐年递增的趋势,而传统过硫酸盐的合成以铂电极为阳极,需要加入添加剂,电流效率低且生产成本高。另一方面,随着电子产品需求量的增加,含高浓度酸、铜离子、硫酸根和过硫酸根的微蚀刻废液量越来越大,因其不能有效地循环利用,造成极大的环境问题和资源浪费。针对传统过硫酸盐合成的弊端以及微蚀刻液再生难的问题,本课题拟采用掺硼金刚石薄膜(BDD)电极实现过硫酸盐的高效合成及过硫酸盐/硫酸微蚀刻液的循环再生。本论文通过循环伏安法和交流阻抗法考察了BDD电极的电化学性能。研究表明,BDD电极具有宽的电势窗口约为3.5 V(-1.5 V至2 V vs Ag/AgCl),与铂电极相比有更高的析氧电位、更低的背景电流;利用电活性物质Fe(CN)6(3-/4-)对BDD电极的可逆性进行了分析;研究了pH、温度对BDD电极性能的影响;获得了BDD电极的电化学阻抗谱,建立了合理的等效电路,得到了相关电化学过程的动力学参数。通过因素优化实验,确定了合成过硫酸盐最佳工艺条件,选择BDD电极作为合成过硫酸盐的阳极材料、不锈钢作为阴极材料、杜邦117膜为阳离子交换膜,硫酸根浓度保持在3 mol/L以上,不需要添加剂,即可保持电流效率在80%以上;电流密度对过硫酸盐合成的影响不大,当电流密度采用240mA/cm2,电解到150 min时,过硫酸根浓度可达343.93 g/L;利用BDD电极可以直接合成过硫酸钠、过硫酸钾,提高了产品品质。在过硫酸盐合成的基础上,提出了阴阳极成对利用的方法,并开发了零投加、零排放、高电流效率(115%)的闭路循环再生系统。提出了氢离子平衡理论,实现了过硫酸盐/硫酸微蚀刻液的完全再生;再生的微蚀刻剂与新鲜的微蚀刻剂相比,蚀刻性能没有显著差异;平均每再生1 m3的微蚀刻废液,大约需要的电能为230 kWh,同时回收至少20 kg的铜,可以产生370元的经济效益,并且节省了废液的处理费用以及购买新鲜微蚀刻剂的费用。作为危废的微蚀刻废液得以循环再生,真正实现了变废为宝、废物资源化。
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