钌系氧化物涂层电极的制备、表征及在水处理方面的应用

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难生化有机废水是一类抗氧化能力强、毒性大、具有“三致”作用的废水。其主要包括石化废水、制药废水、垃圾渗滤液、印染废水等。传统生化、物化等方法很难对该类废水达到预期的处理效果。电催化氧化水处理技术因具有设备简单、对环境和化学药品依赖程度低、占地面积小、污泥产量小和操作弹性好等优点而备受关注。阳极材料是该技术的核心,它对电化学反应速率、反应活性及能耗等都具有重要的影响,甚至能够直接决定电化学反应的成败。钌系电极是电极工业中一类重要的电极,以往的研究主要是将其应用于氯碱工业中,而将钌系电极应用于水处理方面却鲜有报道。本文制备了SnO2-Sb2O3-RuO2/Ti和SnO2-RuO2-Bi2O3-La2O3/Ti电极,对其进行了X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、循环伏安(CV)和强化电极寿命等表征,选取难生化降解的偶氮染料苋菜红为目标污染物,进行电催化氧化处理。考察了电流密度、初始浓度、初始pH值、电解质的种类及浓度等实验条件对苋菜红溶液降解效率的影响,并提出了电催化氧化降解苋菜红的动力学方程。具体研究结论如下:首先,采用热分解法制备了SnO2-Sb2O3-RuO2/Ti电极,考察了SnO2-Sb2O3-RuO2/Ti电极性能的主要影响因素。最佳制备条件为:煅烧温度500℃,涂覆层数6层,n(Sn):n(Sb):n(Ru)=10:1:1。表征结果表明,SnO2-Sb2O3-RuO2/Ti电极主要由RuO2、Sb2O3晶体及固溶体组成;电极表面分布着深度较浅、范围较窄的裂缝,但并没有出现大面积、高密度的碎片结构;电极具有较高的氯氧选择性;强化电极寿命可达27 h。考察了电流密度、溶液初始pH值、溶液初始浓度等实验条件对电极电催化氧化苋菜红降解效率的影响。发现苋菜红脱色率随电流密度的升高而升高;随溶液初始pH值的增加而下降;苋菜红初始浓度对苋菜红降解的影响不明显,但脱色量却随着初始浓度的升高而不断升高。在电流密度为20 m A/cm2,溶液初始pH值为3.02的条件下,当Na2SO4浓度为1.02 g/L时,处理120 min,苋菜红脱色率可达90.51%;当Na Cl浓度为0.12 g/L时,处理苋菜红24 min的脱色率可达78.92%。其次,采用热分解法制备了SnO2-RuO2-Bi2O3-La2O3/Ti电极,进行了XRD、SEM、CV和强化电极寿命等表征。结果表明,电极表面主要是由RuO2、SnO2、SnRuOx和LaBiOz等晶体及固溶体组成;电极表面整体较为均匀平整,但局部却存在较大凸起、缺陷;该电极比SnO2-Sb2O3-RuO2/Ti电极具有更高的氯氧选择性;但稳定性较差,强化电极寿命仅7 h。考察了电流密度、溶液初始pH值、苋菜红初始浓度等对电极电催化氧化苋菜红降解效率的影响。发现苋菜红脱色率随电流密度升高而升高;随着NaCl浓度的增大而升高,最佳初始pH值为5.09;Na2SO4的最佳浓度为2.03g/L。在电流密度为20mA/cm2,溶液初始pH值为5.09的条件下,当Na2SO4浓度为2.03 g/L时,处理120min,苋菜红脱色率可达96.69%;当NaCl浓度为0.12 g/L时,处理苋菜红18 min的脱色率可达100%。由UV-Vis、归一化吸光度和COD去除率分析表明,苋菜红分子经过脱色、开环、断链等反应被降解为有机小分子,而后再进一步被氧化为CO2和H2O。最后,通过苋菜红降解实验数据的处理及分析,对其降解动力学进行了考察。结果表明,电催化氧化过程中,直接氧化遵循(假)一级动力学方程,间接氧化遵循二项式动力学方程。
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