电化学法降解有机污染物的性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

随着中国经济的快速发展，工业废水的产生量逐年增加，水环境问题也日趋严重。印染行业作为我国传统支柱产业，在促进国民经济发展等方面具有重要作用,但是,我国印染行业耗能较高,且对环境污染极为严重,与我国大力提倡的低碳环保理念相违背,为了调整产业结构、保护环境,加强印染行业相关技术研究十分必要。

印染废水是国内外公认的较难处理的工业废水之一,具有成分复杂、有机污染物含量高、碱性大、处理难度大等特点。印染废水传统上一般采用生化法进行处理，但生化法具有占地面积大、投资成本高、易产生二次污染且对cod 和色度的去除率不高等缺点。近年来纺织业的发展，新型助剂等难生化降解有机物大量进入印染废水，因此，寻找适合中国国情的印染废水处理方法一直是我国各研究机构的重点研究课题。

电化学法处理印染废水，具有无需添加氧化剂，絮凝剂等化学药品，设备体积小，占地面积小，操作简单灵活，排污量小等优点，不仅可以处理无机污染物，也可以处理有机污染物，特别是一些无法用生物降解的有毒有机物更适用电化学法处理。电化学氧化技术因其具有较高的催化降解能力、易于自动化控制并适合与其它工艺组合等特点，成为最具有应用前景的高级氧化技术。电化学氧化法基本原理是利用直流电直接进行电解，依靠水分子在阳极上放电产生oh^-的氧化作用，oh^-亲电进攻吸附在阳极上的有机物而发生氧化反应去除污染物。

阳极氧化多数被用于降解难以生化处理的高毒工业废水。常被用于进行工业废水处理的 “非活性电极”主要指以下3种，“钛基sno₂、钛基pbo₂、掺硼的金刚石（bdd）电极” 这类电极电化学性能突出，自身析氧电位以及电催化活性均较高，将其应用于降解有机物，可以取得较好的效果。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：

一、高性能ti/pbo₂电极的制备及表征

3. 研究的方法与步骤

一、电极制备

1.钛基体的预处理

将50 mm×12 mm×2 mm的钛板经砂纸打磨除去表面的氧化层，放在5%(质量分数，下同)的NaOH溶液超声除油，然后放在90℃ 10%的草酸溶液中酸蚀2-3 h至形成均匀的灰色表面取出，先用蒸馏水冲洗，然后在超声波中震动清洗15 min后晾干、置于无水乙醇中备用。

2．Ti/PbO₂电极的制备

将金属钛板分别用240目和600目砂纸打磨干净。用超纯水冲洗干净后置于40%的NaOH溶液中适当加热30min除油。再取出用超纯水冲洗干净后置于10%的草酸溶液中，85℃下煮沸2h后取出钛板并冲洗干净后置于无水乙醇中保存待用。此时草酸溶液呈红棕色，与处理过的钛板呈灰色麻木粗糙表面。镀液配方如下表1所示。

表1 Ti/PbO₂电极的镀液配方

Table 1 composition of the electroplating solution for Ti/PbO₂ electrode

成份	浓度
Pb(NO3)2 Cu(NO3)2 NaF	0.35mol/L 0.2mol/L 40mmol/L

以铜板为阴极，电沉积温度为65-80℃，在搅拌的条件下，控制电流密度为25mA/cm²，电沉积2h，所得到的电极即为Ti/PbO₂电极。PbO₂层呈黑色，均匀致密且有一定的厚度。

3.TiO₂中间层的制备

第一步，试样打磨：试样经 360#、600#、800#、1000#水砂纸依次打磨至表面光滑，无明显缺陷。将打磨好的试样依次在去离子水、乙醇、丙酮溶液中超声清洗 5-6min。室温干燥。

第二步，阳极氧化：用甘油-水(1:1 vol.%)添加 0.3 M NH₄F 体系为电解液，设置不同的阳极电压(变化范围为 5 V-40 V)、不同氧化时间(变化范围为 10 min-3h)、不同氟离子浓度制备自组装TiO₂纳米管。同时利用电源电表记录电流密度随时间变化趋势。氧化完成之后试样在乙醇溶液中超声清洗，并在空气中自然风干。

第三步，热处理：将干燥后的试样在空气中用箱式炉氧化 1 h，温度分别为500°C、700°C，使其晶型发生转变。

4.Sb-SnO₂中间层的制备（采用热分解法）

将40.36g SnCl₄.5H₂O, 0.75 g Sb₂O₃ 以及 3 ml HCl (37%) 溶解于 50 ml 正丁醇溶液中，即可获得所需的外层Sb-SnO₂涂覆液。将上述制备好的电极浸入溶液中10min。随后置于120℃烘箱中15min，再在500℃马弗炉中煅烧1h，以上步骤重复3次即可。

二、电极表征

①析氧电位测试

析氧电位测试采用三电极体系，分别以所制备的四种DSA电极为工作电极，有效工作面积1cm×1cm，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，以0.1mol/L H₂SO₄水溶液为电解液，常温下在CHI660C电化学工作站（上海辰华电化学公司）上进行阳极极化曲线扫描，扫描速率为100mV/s。

②X—射线衍射（XRD）分析

采用日本岛津XRD-6000型x射线粉末衍射仪表征样品结构。操作条件：Cu靶，Kα射线，管电压40 kV，管电流200 mA，扫描速度6°/min，步长0.02°，扫描范围10-80°。

③SEM测试

通过日立 S4800型扫描电子显微镜（SEM）观察PbO₂电极表面催化层形貌。

④加速寿命测试

在1.0mol/L的H₂SO₄溶液中，以所制备的催化电极为阳极，不锈钢片为阴极，控制电流密度4A/cm²，温度为60℃，极板间距为1cm，电压升至10V为电极失效标志。根据式（1）可以换算出该电极的工业实用寿命。

(1)

式中：

A₁—寿命实验中的电流密度(A/cm²)；

A—实际使用时的电流密度(A/cm²)；

t₁—寿命实验中的使用时间(h)；

t—实际工业使用时间(h)。

三、降解亚甲基蓝模拟废水

分别以制备的Ti/PbO₂，Ti/TiO₂/PbO₂，Ti/TiO₂/Sb-SnO₂/PbO₂电极做阳极，以钛板做阴极，处理亚甲基蓝模拟废水,分别进行电流密度、反应时间、pH、电解质质量浓度等单因素实验。探讨电化学法处理亚甲基蓝模拟废水的最优电极。

4. 参考文献

[1] kun xu,hui ding ,shi tao,et al.understanding structure-dependent catalytic performance of nickel selenides for electrochemical water oxidation, 2016,7(1):310–315

[2]weichun ye,xuezhao shi,yane zhang, et al. catalytic oxidation of hydroquinone in aqueous solution over bimetallic pdco catalyst supported on carbon: effect of interferents and electrochemical measurement,2016,8(5):2994–3002

5. 计划与进度安排

1．2022年12月28日-2022年03月10日：查阅相关文献资料，撰写文献综述，提出具体研究计划,完成开题报告，进行实验前期准备工作；

2．2022年03月11日-2022年03月25日：论文实验阶段：制定实验方案，做好实验所需仪器设备和化学试剂等各项准备工作,进入实验室；

3．2022年03月26日-2022年05月20日：在实验室进行实验，归纳实验数据，进行结果分析与讨论，完成毕业论文草稿；