印染废水絮凝淤泥制备杂原子掺杂碳材料及其电化学性能研究

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印染废水在我国工业废水中占有很大比重,成为威胁我国水环境安全的污染源之一。在众多水处理技术中,絮凝法具有易操作、成本低和易于工业化的特点而被广泛应用。本文采用絮凝法实现了印染废水的脱色,得到了大量的絮凝淤泥废弃物。淤泥废弃物常用的处理方法通常是焚烧和填埋,容易对环境造成二次污染。本文将富含氮、硫的絮凝淤泥作为前体,热解处理制备了杂原子掺杂碳材料并应用于电化学领域,实现了变废为宝。本文主要做了以下三部分工作。(1)采用双氰胺-甲醛树脂(DFR)为絮凝剂处理印染废水,研究发现,DFR对活性红(K-2BP)的去除率为97.3%,染料吸附量可达8000 mg g-1。控制热解前体中DFR的含量制备了N,S-双掺杂多孔碳。DFR既是絮凝剂,在热解过程中又起到造孔剂的作用,可以作为制备碳材料的软模板。碱性溶液中ORR测试结果表明,NS-DF-2的起始电位为0.98 V,半波电位为0.82 V,其极限电流密度为5.56 m A cm-2,电化学循环稳定性和抗甲醇性能都优于商业20 wt%Pt/C。超级电容器测试表明:1 A g-1时,NS-DF-2的比电容量可达230.5 F g-1,丰富的微孔和中孔有利于提高材料的电化学储能性能。(2)采用自制的阳离子淀粉絮凝剂BDATS对印染废水进行絮凝脱色,最佳的絮凝条件下,BDATS对活性红(K-2BP)的去除率为98%,染料吸附量为2030 mg g-1。以絮凝淤泥为前驱体,通过Zn Cl2盐封法合成了氮、硫掺杂多孔碳材料KBC-X。在淤泥絮凝热解过程中Zn Cl2提供了一个完全封闭的“微纳米反应器”。研究发现,盐封法制备的碳材料氮、硫元素含量显著的提高,比表面积明显的增大。在碱性条件下,KBC-2的起始电位为0.93 V,与商业20 wt%Pt/C相当;半波电位为0.83 V,极限电流密度为5.65 m A cm-2,优于商业20 wt%Pt/C。此外,材料在5 A·g-1的电流密度下,5000次循环充放电后稳定性良好。(3)以絮凝淤泥为前驱体,加入适量的氯化铁,通过Zn Cl2盐封法合成了铁、氮共掺杂多孔碳材料Fe NC-X。研究发现,与直接热解得到的碳材料相比,盐封以后碳材料的铁、氮元素含量显著的提高,比表面积明显增大。在碱性条件下,Fe NC-3表现出较好的ORR活性,起始电位为0.95 V,半波电位为0.85 V,极限电流密度为5.3 m A cm-2接近于商业20 wt%Pt/C。此外,Fe NC-3碳材料也具有优异的稳定性和抗甲醇性能。在三电极体系下,1 A g-1时,Fe NC-3的比电容量可达192 F g-1,同时材料还具有良好的循环稳定性。
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