本文關(guān)鍵詞：粒子電極的制備及三維電催化體系降解苯并噻唑的研究

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【摘要】：三維電催化氧化技術(shù)因其處理效率高、降解速度快、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)引起廣泛關(guān)注,為難降解有機(jī)廢水的處理提供了新的解決途徑。本研究采用三維電催化氧化技術(shù)降解苯并噻唑,以自制的Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC為粒子電極填充于三維電催化反應(yīng)器中,并考察了反應(yīng)器電極型式、電極間距、外加電壓、粒子電極填充比例等反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)和進(jìn)水pH、電解質(zhì)種類及濃度、序批式反應(yīng)器的進(jìn)水時(shí)間和電催化時(shí)間等工藝運(yùn)行參數(shù)對(duì)苯并噻唑降解效能的影響。同時(shí),探討了三維電催化反應(yīng)體系中苯并噻唑的降解機(jī)理,可為實(shí)際工程處理兼具苯環(huán)和雜環(huán)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的難降解有機(jī)污染物提供理論上的指導(dǎo)。采用Fe(NO3)3溶液浸漬法制備并優(yōu)化Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC粒子電極,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最佳的浸漬條件是浸漬時(shí)間為18h、浸漬濃度為0.74mol/L,此時(shí)對(duì)應(yīng)的TOC去除率較高為66.7%、鐵離子溶出濃度最低為9μg/L。分析評(píng)價(jià)Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC粒子電極的吸附性能和催化性能,并與活性炭(AC)顆粒進(jìn)行對(duì)比。室溫條件下,活性炭和Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC粒子電極吸附體積為2L、初始濃度為100mg/L的苯并噻唑溶液的吸附量分別達(dá)到4.68mg/g和5.89mg/g。容積為500mL的三維電催化反應(yīng)器處理初始濃度為100mg/L的苯并噻唑溶液,在外加電壓為10v、電極間距為4cm、改性粒子電極填充比為60%、0.1mol/L的NaCl為電解質(zhì)溶液的條件下反應(yīng)2h,改性粒子電極反應(yīng)體系的TOC去除率達(dá)到66.7%,比活性炭反應(yīng)體系的TOC去除率高出了23.4%。Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC粒子電極較于AC在吸附性能和電催化性能方面均有提高。其中,吸附能力上的提高主要取決于孔道結(jié)構(gòu)的變化和表面化學(xué)性質(zhì)的變化。根據(jù)吸附動(dòng)力學(xué)的結(jié)果表明,化學(xué)吸附速率遠(yuǎn)大于物理吸附速率,說明化學(xué)吸附在苯并噻唑的吸附過程中起主要作用。而電催化能力上的提高主要取決于其表面負(fù)載的含鐵催化劑,Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC粒子電極的活化能為261KJ/mol,較于AC的活化能383KJ/mol降低了32%,使得反應(yīng)體系的電化學(xué)反應(yīng)更易發(fā)生。設(shè)計(jì)構(gòu)建了序批式三維電催化反應(yīng)器,考察苯并噻唑的去除率、反應(yīng)體系礦化度、電流效率和電能能耗等從而確定最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。最佳結(jié)構(gòu)參數(shù):電極型式為陽極在中心、陰極環(huán)圍陽極的型式,電極間距為4.24cm,外加電壓為9.9V,Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC粒子電極填充比例為60%。此時(shí),TOC去除率的最大預(yù)測(cè)值為98.2%。最佳運(yùn)行參數(shù):0.1 mol/L的NaCl作為電解質(zhì)溶液,進(jìn)水pH為7,進(jìn)水時(shí)間為30 min,電催化反應(yīng)時(shí)間為3 h。此時(shí),苯并噻唑完全被降解,反應(yīng)體系的礦化率達(dá)到92.0%,礦化電流效率為5.99%,能耗為13.00 KW·h/kg COD;同時(shí),Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC反應(yīng)體系的開路電位、析氧電位和阻抗均高于AC反應(yīng)體系,說明Fe/Fe2O3/Fe3O4/AC反應(yīng)體系的耐腐蝕程度高、發(fā)生副反應(yīng)少并且短路電流少,電化學(xué)性能方面有較好的改善。分析研究三維電催化反應(yīng)體系中苯并噻唑的降解機(jī)理,得到苯并噻唑電催化降解的主要中間產(chǎn)物為2-甲基亞磺�；桨泛�2-甲基磺�；桨�,根據(jù)LC-MS檢測(cè)出的有機(jī)中間產(chǎn)物推斷出苯并噻唑有兩種降解途徑。主要的氣相產(chǎn)物為CO2,占?xì)怏w體積的90%。主要的離子態(tài)產(chǎn)物為SO42-和NO3-,離子濃度分別為20mg/L和10mg/L,根據(jù)化學(xué)質(zhì)量守恒定律計(jì)算可知,苯并噻唑基本上完全礦化,反應(yīng)體系的降解效果良好。
【關(guān)鍵詞】：序批式三維電催化反應(yīng)器 苯并噻唑 吸附 電催化降解
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：X703
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-30
• 1.1 課題背景11-12
• 1.2 難降解有機(jī)廢水的處理現(xiàn)狀12-16
• 1.2.1 物化法12-14
• 1.2.2 生物法14-16
• 1.3 電催化氧化技術(shù)的研究與應(yīng)用16-21
• 1.3.1 電催化氧化技術(shù)原理16-19
• 1.3.2 電催化反應(yīng)器的分類19-20
• 1.3.3 三維電催化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀20-21
• 1.4 復(fù)極性粒子電極的研究21-26
• 1.4.1 復(fù)極性粒子電極的作用21-24
• 1.4.2 粒子電極的研究現(xiàn)狀24-26
• 1.5 三維電催化技術(shù)存在的問題和發(fā)展方向26-27
• 1.5.1 存在的問題26-27
• 1.5.2 發(fā)展方向27
• 1.6 研究目的和內(nèi)容27-29
• 1.6.1 課題來源27-28
• 1.6.2 課題目的和意義28
• 1.6.3 研究?jī)?nèi)容28-29
• 1.7 技術(shù)路線29-30
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料與方法30-40
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器30-31
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)藥品及材料30
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備30-31
• 2.2 粒子電極的制備方法31-32
• 2.2.1 載體活性炭的預(yù)處理31
• 2.2.2 負(fù)載金屬催化劑的制備31-32
• 2.3 粒子電極吸附性能評(píng)價(jià)方法32-33
• 2.3.1 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)32
• 2.3.2 動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)32-33
• 2.4 粒子電極表征方法33-34
• 2.4.1 BET分析33
• 2.4.2 傅里葉紅外光譜分析(FTIR)33
• 2.4.3 掃描電子顯微鏡能量分散能譜測(cè)定法(SEM-EDS)33
• 2.4.4 X射線衍射分析(XRD)33-34
• 2.4.5 X射線光電子能譜分析(XPS)34
• 2.4.6 熱重分析(TG-TCD)34
• 2.5 電催化反應(yīng)裝置及檢測(cè)方法34-38
• 2.5.1 復(fù)極性三維固定床反應(yīng)器34-35
• 2.5.2 序批式三維電催化反應(yīng)體系35-36
• 2.5.3 循環(huán)伏安曲線法36
• 2.5.4 極化曲線法36
• 2.5.5 開路電位測(cè)量法36
• 2.5.6 交流阻抗測(cè)試方法36-37
• 2.5.7 礦化電流效率的計(jì)算方法37
• 2.5.8 能耗的計(jì)算方法37-38
• 2.6 TOC、COD測(cè)定38
• 2.7 苯并噻唑濃度測(cè)定38
• 2.8 降解產(chǎn)物分析檢測(cè)方法38-40
• 2.8.1 有機(jī)降解產(chǎn)物分析38
• 2.8.2 無機(jī)降解產(chǎn)物分析38-40
• 第3章 粒子電極的制備及其吸附-催化性能評(píng)價(jià)40-53
• 3.1 粒子電極的制備及優(yōu)化40-41
• 3.2 吸附性能評(píng)價(jià)41-46
• 3.2.1 粒子電極對(duì)苯并噻唑的吸附效果41-42
• 3.2.2 粒子電極的孔道結(jié)構(gòu)變化42-43
• 3.2.3 粒子電極表面化學(xué)性質(zhì)變化43-45
• 3.2.4 吸附動(dòng)力學(xué)45-46
• 3.3 催化性能評(píng)價(jià)46-51
• 3.3.1 粒子電極表面擔(dān)載金屬催化劑的表征47-49
• 3.3.2 粒子電極對(duì)苯并噻唑的催化效果49
• 3.3.3 活化能計(jì)算49-51
• 3.4 本章小結(jié)51-53
• 第4章 復(fù)極性三維電催化體系的構(gòu)建及其對(duì)苯并噻唑的電催化降解研究53-75
• 4.1 復(fù)極性三維電催化固定床反應(yīng)器的構(gòu)建53-58
• 4.1.1 電極型式的確定53-54
• 4.1.2 外加電壓、電極間距和粒子電極填充比例的優(yōu)化54-58
• 4.2 序批式三維電催化體系的運(yùn)行及其電催化性能評(píng)價(jià)58-70
• 4.2.1 電解質(zhì)溶液種類及濃度對(duì)反應(yīng)體系的影響58-62
• 4.2.2 進(jìn)水pH對(duì)反應(yīng)體系的影響62-63
• 4.2.3 序批式三維電催化體系的進(jìn)水-電催化時(shí)間配比63-67
• 4.2.4 反應(yīng)體系的電化學(xué)性能評(píng)價(jià)67-70
• 4.3 苯并噻唑的電催化降解機(jī)理70-74
• 4.3.1 苯并噻唑降解產(chǎn)物鑒定70-71
• 4.3.2 苯并噻唑降解途徑分析71-74
• 4.4 本章小結(jié)74-75
• 結(jié)論75-77
• 參考文獻(xiàn)77-89
• 攻讀碩士期間發(fā)表論文及其它成果89-91
• 致謝91

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本文編號(hào)：629920