过滤式非均相电芬顿反应器的构建及性能研究

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随着人类工业的发展,大量难降解性、高毒性、复杂性有机废水进入环境,对自然水体产生严重的影响并威胁着清洁水资源。随着水污染状况日益严峻,研究者们开发了多种技术以期能有效控制有机废物对环境的污染。其中电芬顿技术(EF)因具有原位生成H2O2、环境友好、无需外加试剂、反应条件温和、过程易控制等优势而日渐受到关注。而电芬顿过程中,阴极材料不光决定着H2O2的生成效率,也影响着阴极的适用性和稳定性,同时对降低污水处理成本也存在重要意义。因此,探索高性能阴极材料对EF未来的发展意义重大。此外,反应器的结构会影响传质效率、电流效率等,而高传质效率和电流效率会极大提高反应器的性能。因此,开发实用性强、高性能的反应器对实现EF的推广应用具有重大意义。本研究中,以酸化石墨毡(OGF)为基底通过粘结炭黑-聚四氟乙烯(CB-PTFE)并煅烧的方式制备性能好、结构稳定、适用性强的CB-PTFE石墨毡阴极(CGF)。考察了CGF的表面形貌、亲水性、官能团种类、元素种类并测试其电化学性能。寻找其最佳制备条件,研究不同操作条件对其污染物去除性能的影响,并考察了CGF的稳定性。以钛膜(TM)为基底通过浸渍和煅烧的方式制备TM负载SnO2-Sb阳极(PTM)。将CGF、PTM、Al/Fe固体催化剂(Al/Fe)联合,设计并构建反应器。考察PTM及Al/Fe的表面特性,测试PTM的电化学性能。研究不同操作条件对反应器性能的影响,并考察其双酚A(BPA)去除性能、重复适用性、适用性以及污染物处理机制。取得研究结果如下:(1)对CGF进行表面形貌分析发现,CB-PTFE被成功担载在GF基底上,并且分布均匀没有对GF的原始结构产生破坏;电极的疏水性有所提高;高温煅烧和负载CB使CGF的炭结构更加有序并且改变了GF的官能团种类;在最佳条件下制备的CGF表现出良好的电化学性能。考察了电压(U)、pH值、曝气量(V)对电极性能的影响。发现在U=-1.2 V,pH=3,V=0.2 L/min的操作条件下,电极性能最佳,H2O2产率为20.07mg/h cm~3,BPA去除率为96.46%。CGF连续试验证明CGF具备良好的稳定性。(2)以CGF为阴极,PTM为阳极,Al/Fe为固相催化剂构建过滤式膜反应器(NEFAR),其能够耦合EF和阳极氧化(AO),并且具有传质效率高、铁析出量低、运行连续等优点。考察了流态、电压(U)、pH值、电解质浓度(C)、处理液流速(I)对NEFAR性能的影响。发现当在穿透模式(Flow-through)下,处理液流依次经过CGF和PTM时效果优于Batch模式。当U=2.5 V,I=1 mL/min,pH=3,C=0.05 mol/L,V=0.2L/min时,反应器性能最佳,运行240 min,100 mL 10 mg/L BPA模拟废水去除率达99.19%。通过连续试验证明反应器具备良好的重复使用性并且Al/Fe的铁析出量很低。反应器对较高浓度的BPA溶液也有处理效果。此外,在上述条件下,反应器对苯酚(Phenol)、磺胺甲恶唑(SMX)、罗丹明B(Rh B)的去除率分别达到82.81%、99.82%、99.75%,表明反应器具有良好的适用性。氧化机理试验表明,电芬顿过程在污染物降解过程中起主导作用,·OH和O2-·是主要的氧化基团。
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