钛基形稳电极的制备及电化学氧化苯胺废水性能与机理

来源 :中国地质大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:snoopyfeile123
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印染、制革、制药等行业排放的苯胺废水中COD和无机盐浓度较高且具有生物毒性,传统的生物法处理难度较大,而电化学法处理难降解有机废水具有很大优势,已受到广泛关注。电化学法处理难降解有机废水的关键是具有电化学催化氧化能力的形稳阳极(DSA),尽管目前已有许多类型的DSA电极可通过直接氧化或催化Cl-产生的有效氯氧化水中难降解有机物,但普遍存在析氧电位低、直接氧化能力弱、涂层材料稳定性不强等问题。本研究在不同条件下探讨传统Ti/RuO2电化学氧化苯胺废水的性能及机理的基础上,掺杂Sn或Ir制备改性多元金属DSA电极,通过LSV、SEM和XRD分析其催化氧化能力、表面形貌及稳定性,在不同电解质和电流密度下研究苯胺的电化学降解行为与机理,并对比分析不同类型电极在不同条件下对苯胺的降解效能。以Ti/RuO2为阳极,对苯胺的电化学氧化降解影响因素研究结果表明:电流密度为20 mA/cm2、pH为10.0和极板间距为1 cm时,苯胺和COD在0.25 g/L NaCl溶液中的去除速率分别是在相同浓度Na2SO4溶液中的29.2倍和10.0倍。此外,NaCl浓度的增加不仅可提高苯胺和COD降解速率,还可提高电流效率,且酸性条件有利于COD的去除,发现NaCl为1.00 g/L时电流效率最大(14.6%),pH为3.0时COD的去除效率最高(80.5%),同时在反应过程中氨基可被电化学氧化还原作用高效去除。此外,以Na2SO4为背景电解质,少量添加Cl-或Fe2+可强化羟基自由基(·OH)作用,在保证苯胺高效降解的同时,可提高矿化度并减少耗电量;添加低浓度NaCl后,在电流密度为40 mA/cm2时TOC去除率最大(71.1%),平均耗电量可降低6.4%,而少量添加Fe2+后,在电流密度为20 mA/cm2时TOC去除率可提高43.6%,平均耗电量降低73.5%。研究发现,Cl-较低、电流强度较大时,Cl-对·OH的抑制作用较弱,电极可通过自身的电化学转化、电化学燃烧和有效氯间接氧化协同矿化TOC,而有少量Fe2+存在时,在低电流强度下可发生芬顿反应,促进TOC去除。采用热氧化法制备了Ti/Sb-SnO2-Ta2O5电极,SEM观察发现电极涂层致密,裂缝少,XRD分析显示涂层内生成Ti-Sn、Ti-Ta、Sn-Sb和Sn-Ta固熔体,可提高电极的稳定性。LSV分析表明,Ti/Sb-SnO2-Ta2O5的析氧电位为2.254 V,远高于Ti/RuO2(1.040 V),有利于降低能耗。电流密度为20 mA/cm2时,以Na2SO4和NaCl为电解质,TOC降解速率均高于Ti/RuO2,平均耗电量比Ti/RuO2分别低73.6%和89.1%。通过热氧化法制备了Ti/RuO2-SnO2和Ti/RuO2-IrO2电极,表征分析发现两电极涂层均致密、少裂缝且粗糙,产生了Ru-Sn、Ti/Sn和Ru-Ir固熔体,可增强电极稳定性,且析氧电位分别为1.295和1.255 V,均高于Ti/RuO2。以Na2SO4为电解质,电流密度在较低和较高时,Ti/RuO2-SnO2兼具电化学转化和电化学燃烧的能力,对苯胺和TOC的去除效率均高于其他电极,且不易钝化。此外,以NaCl为电解质,电流密度较低时,Ti/RuO2-SnO2和Ti/RuO2-IrO2对苯胺和TOC的降解速率均低于Ti/RuO2和Ti/Sb-SnO2-Ta2O5,但是Ti/RuO2-SnO2却能获得对TOC的最高去除效率(47.5%),而在高电流密度下,Ti/RuO2-IrO2不易钝化,对TOC去除率最大(63.1%)。添加少量Fe2+后,在低电流密度下Ti/RuO2-SnO2对TOC的去除率和电流效率均高于其他电极,且耗电量比在单一Na2SO4电解质中降低38.5%。本研究结果表明,传统Ti/RuO2和制备的Ti/Sb-SnO2-Ta2O5、Ti/RuO2-SnO2和Ti/RuO2-IrO2对苯胺废水均具有良好的处理性能,在一定条件下对TOC的降解优于Ti/RuO2,且耗电量少。本研究为电化学处理苯胺废水的电极选择及运行条件优化提供了理论与技术支持。
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