材料科學與工程畢業(yè)論文外文翻譯

1、<p><b>　　外文原文和翻譯</b></p><p>　　應用電化學雜志 29：147—151，1999</p><p>　　1999年修正于克魯爾學術(shù)出版社。 印刷在荷蘭。</p><p>　　Ti/PbO2 和Ti/SnO2電極在廢水處理中電化學降解2–氯酚時的性能</p><p>　　1998年6月

2、1日發(fā)表，1998年8月25日修訂</p><p>　　Ti/PbO2和Ti/SnO2陽極電極對2 - 氯酚溶液電化學氧化研究。通過在電解時，法拉第產(chǎn)量和有毒媒介的分離分數(shù)之間的關(guān)系對電極的電解性能進行了評估。結(jié)果表明：雖然用Ti/PbO2和Ti/SnO2陽極電極獲得的法拉第產(chǎn)量平均數(shù)差不多，但后者的材料是首選，因為其好的氧化有毒化合物的能力。盡管有相對較高的化學需氧量，不過在廢水中有少量易生物降解草酸時Ti/S

3、nO2電解會停止，完成有效的電化學處理 (ηF≌50%）。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 2-氯酚， Ti/PbO2 ， Ti/SnO2 ，電化學氧化</p><p><b>　　符號列表</b></p><p>　　Ae 電極表面積（cm2） t 時間(s)</p><p>　　

4、F 法拉第常數(shù)（96487 C mol-1） Vsol 溶液體積（cm3）</p><p>　　i 電流密度（mA cm-1） ε 電解時移動了的部分環(huán)狀化合物</p><p>　　k 真正的動力學常數(shù)（cm s-1） θOH 部分表面覆蓋的OH-離子</p><p>　　K 速率常數(shù)（s-

5、1） ηF 感應電流量</p><p>　　r 反應速率 （mols-1dm-1） COD 化學耗氧量</p><p>　　R 反應物濃度（moldm-3）</p><p><b>　　1 簡介</b></p><p>　　不當排放的工業(yè)廢水和自然發(fā)生的芳

6、香物質(zhì)氯化是純凈水中鹵代芳香族化合物主要來源。這些有害化合物出現(xiàn)在水中代表了對環(huán)境的主要威脅。特別是，因為氯酚有致癌性造成嚴重的問題。在不同的廢水處理技術(shù)中生物氧化被頻繁使用。然而，當廢水中含有有機氯化合物時生物處理可能成為無效的。在這種情況下，緩慢的降解率或缺乏合適的生物體可能需要被新技術(shù)替代，如濕式氧化（WAO）和紫外線的氧化。</p><p>　　最近，電化學氧化法以替代技術(shù)被提出適合于除去有機污染物[ 1

7、–3 ] ，特別是解決難生化有機物稀釋的問題。這種類型的方法的經(jīng)濟可行性與限制不良反應和良好的法拉第效率的能力相關(guān)。陽極材料的選擇起著重要的作用：它應該穩(wěn)定在一個陽極電位寬的范圍內(nèi)且應在析氧時呈現(xiàn)高的超電勢，這構(gòu)成了在陽極氧化的主要副反應。</p><p>　　金屬氧化鈦合金電極如PbO2和SnO2 被廣泛使用。前者具有較高的氧超電勢，后者由于其在有機氧化反應的催化性能而成為一種有前途的材料。</p>

8、<p>　　兩種類型的電極最近是有關(guān)有機物化合物的氧化的研究課題[ 4–10]。有關(guān)苯酚的電化學氧化已被廣泛研究，但很少有人關(guān)注電氧化氯酚。在這個實驗室關(guān)于氯酚的電化學氧化之前調(diào)查了多孔碳電極[11] 。目前的研究工作擴展到金屬氧化物電極（ Ti/PbO2和Ti/SnO2 ）對2¬氯酚電化學氧化的研究。</p><p><b>　　2 實驗 </b></p>

9、;<p><b>　　圖1 實驗儀器</b></p><p>　　圖1顯示了儀器的示意圖。它包括攪拌水庫（ 300ml），蠕動泵和三電極電化學電池。一個鋼板被用來作為陰極，而陽極是一個涂有二氧化錫或二氧化鉛的鈦片（4× 3cm）。一個毛細管用來連接飽和甘汞參比電極（ SCE ）和陽極。用泵使電解液通過細胞然后返回到回收水庫。</p><p>　

10、　2.1 電極的制備</p><p>　　鈦表面預處理進行了以下由馮所建議的步驟[4]。鈦片用320目砂紙打磨， 用水作為潤滑劑，其次是1μm硅粘貼爆破。然后用40 ％的NaOH脫脂，用熱的HNO3和H2SO4比為1:1混合物清洗最后用蒸餾水洗滌。經(jīng)處理后的鈦片浸在沸騰的草酸（15％）水溶液中，直到二氧化鈦溶解。立即涂刷活性金屬氧化物以減少二氧化鈦的形成。</p><p>　　SnO2的

11、熱沉積鈦片根據(jù)利普和普萊徹的步驟進行[12]。 經(jīng)過預處理的鈦片浸在由20 ％wt SnCl4?5H2O和0.2％wt SbCl3以及2-丙醇配成的溶液中一段時間。過量的酒精在363K的溫度下加熱10min熱蒸發(fā)到空氣中。重復這一過程。兩次后，用馬弗爐在773K的溫度下并通以含量低且連續(xù)的氧氣加熱20min ，則形成氧化層。這些步驟反復進行直到SnO2的涂層達到約0.8mg cm-2 ：正常重復5次。最后，涂層在773K下退火60分鐘。

12、</p><p>　　二氧化鉛電泳是在包含0.5 molL-1Pb(NO3)2和0.04 molL-1NaF的0.1 molL-1HNO3溶液的恒定的陽極電流（ 100 mA，30min）下進行的。在電解期間電勢從1.5 V升至1.8 V。電泳進行30min以使二氧化鉛達到約14mg cm-2。</p><p>　　為了驗證電極制備的重現(xiàn)性， 用準備的三個不同電極根據(jù)以上所述的步驟重復實驗

13、流程。結(jié)果表明公平的重復性：三個不同電極（采用相同技術(shù)條件）測量的電流差約為5％ 。電極足夠的穩(wěn)定性還允許它們連續(xù)使用：在電解過程中沒有金屬溶解顯示了解決方案的分析 。</p><p><b>　　2.2 實驗步驟</b></p><p>　　在電流密度從8mAcm-2均勻升到16mAcm-2的條件下用兩種電極進行電解法處理通電快速銹蝕模型 。所有流程都在25

14、76; C進行。溶劑用400至600 mgdm-3（ 3.1和4.7m mol dm-3）的2-氯酚。用PH為7(0.05molL-1 Na2HPO4 + 0.05molL-1NaH2PO4)的磷酸溶液做緩沖溶劑，PH為3(0.05molL-1 NaH2PO4 + 0.05molL-1H3PO4)的磷酸溶液做電解質(zhì)。有些流程還額外的增加1000mg dm-3氯化物做溶液。</p><p>　　在電解的時候，樣品會

15、定期取出。對于每個樣品，化學需氧量（COD ）是用滴定法[13]在一個封閉回流中測量。2-氯酚的濃度和其氧化產(chǎn)物是由高效液相色譜法（紫外檢測器； 流動相，CH3OH + 0.1% H3PO4 and 0.05molL-1 KH2PO4 +0.1% H3PO4;速度流，1.7 cm3 min-1; 溫度25 ℃）斷定的。</p><p>　　初步流程是在流速從0.3均勻增至1.5 cm3 s-1下進行的，分別地對應

16、的線性速度為0.1和 0.5 cm s-1。發(fā)現(xiàn)電解質(zhì)速率沒有影響，所以所有的實驗都在流速1 cm3s-1下進行。</p><p><b>　　3 結(jié)果與討論</b></p><p>　　圖2顯示了作為電解時間的一個函數(shù)。就COD0而言，關(guān)于歸一化COD趨勢的一些例子。觀察發(fā)現(xiàn)，不同 COD去除率取決于陽極材料，電流密度和解決方案組成。然而，在所有的實驗條件下，歸一

17、化COD減小到約0.1。</p><p>　　法拉第效率計算公式如下：</p><p>　　在研究的范圍內(nèi)，在兩種電極上均取得良好的法拉弟效率。事實上，當化學需氧量是從初始值約1000mg dm -3至放電可接受的值（ 大約在100–150 mg dm-3的范內(nèi)），用Ti/PbO2陽極在電流密度為8mA cm-2時電解，計算平均法拉第產(chǎn)量在50％左右。當電流密度大約為兩倍時獲得較低的效率。

18、用Ti/PbO2和Ti/SnO2陽極分別獲得法拉第產(chǎn)量為40％和35 ％。在所有情況下 PH影響幾乎可以忽略不計。當最初的溶液氯離子控制為1000mg dm-3時計算出有高的法拉第效率（67％）。</p><p>　　分析得出，組成溶液的物質(zhì)在電解時確定了中間的氧化產(chǎn)物。這類化合物可能會比氯酚本身的毒性更大：因此，處理的目的不僅是實現(xiàn)COD的大幅度降低，而且要基本上全部去除溶液中最初呈現(xiàn)的所有害物質(zhì)或在處理是形成

19、的有害物質(zhì)。高效液相色譜法顯示的環(huán)狀化合物是最初產(chǎn)生的，而脂肪雙向羧酸（主要是含少量順酐的草酸，檢測氨基酸）被檢測到時是在較長的反應時間后。</p><p>　　圖2 在不同實驗條件電解時剩余的正常化COD的時間趨勢</p><p>　?。ǔ跏贾?，1000mg l-1 ，工作溫度25 ° C以下）。Ti/PbO2, [Cl-]=0:i=8 mA cm-2 (○); i=16 m

20、A cm-2 (△); Ti/PbO2, [Cl-]=1 g dm-3: i=8 mA cm-2 (●); i=16 mA cm-2, (◇); Ti/SnO2, [Cl-]=0, i=16 mA cm-2 (■)）</p><p>　　在超臨界水中氧化苯酚，苯醌是在主要中間產(chǎn)物[14]里被發(fā)現(xiàn)的，而苯醌和氯苯醌是被檢測到的[15] 。ku等人[16] 用紫外線照射二氧化鈦催化氧化2-氯酚時檢測到各種中間產(chǎn)物，即

21、氯化的和沒有含氯化的，如cathecol ，對苯二酚和有機酸，在所有情況下，在反映的最后部分的主要產(chǎn)物中草酸總是被發(fā)現(xiàn)。</p><p>　　初步調(diào)查表明，最初的有機載體影響系統(tǒng)的運行情況。從圖 3可以看出，最初高濃度氯苯酚（ > 3000 mg dm-3）的電勢值低于在正極確定了析氧電勢的陽極;氯酚被迅速除去，并且大量的醌化合物在溶液中被檢測到。</p><p>　　另一方面，如果

22、最初的有機濃度為1000mg dm-3 ，經(jīng)過短暫的反應，電勢達到析氧值并在溶液中測定出只有少量的醌化合物。</p><p>　　解釋這種現(xiàn)象可能要考慮發(fā)生在陽極表面的兩種反應，每一種現(xiàn)象可能取決于實驗條件。醌化合物是直接氧化氯酚最先產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，一個原因可能是高濃度的有機反應物。當稀釋的溶液被用為第二個進程可以戰(zhàn)勝氧化劑使水氧化產(chǎn)生的OH自由基：</p><p>　　OH自由基，被吸附

23、在電極表面，在平行反應中與有機化合物反應或造成析氧。</p><p>　　由于強氧化性對大多數(shù)有機化合物的影響，OH自由基能攻擊氯苯酚及其氧化產(chǎn)物，使他們在溶液中沒有積累：</p><p>　　既然處理含低量難治理化合物溶液的電化學技術(shù)應用在特別令人關(guān)注的領(lǐng)域，所以在更多細節(jié)中考慮了稀溶液的這種狀況。為了更好地量化在電化學處理中不同操作參數(shù)的影響，考慮了這三個不可逆轉(zhuǎn)的連續(xù)的階段后，制定了

24、一個簡化的數(shù)學模型：</p><p>　?。?）氧化氯酚（ R1 ）到醌化合物（R2 ）</p><p>　?。?）一個環(huán)型的開放反應來形成脂肪酸（主要考慮的是草酸（ R3））</p><p>　?。?）礦化為二氧化碳</p><p>　　涉及一些假設(shè)。在反應混合物中同時存在O -苯醌和氯-P -苯醌顯示第一步是由兩個平行的路徑組成：兩者都用

25、OH基團替代了氯原子，來形成cathecol ，從而進一步氧化成O-苯醌，并直接形成氯- P -苯醌。此外，由于使用完整的電化學電池反應的部分可逆性不能被排除在外，所以使循環(huán)中間產(chǎn)物可能在陰極減少。然而，這應該是次要的影響，因為，其他作者還強調(diào)當苯酚在鉛和錫的氧化物陽極電化學氧化時，膜的存在并不明顯的修改反應的趨勢[ 5–10 ] 。在這些因素的整體基礎(chǔ)上氧化過程可表示為：</p><p>　　圖3 陽極電位（△

26、▲）和反應物濃度（○●）和循環(huán)中間產(chǎn)物（■□）的趨勢，正規(guī)化的初始氯酚濃度，在電解過程中Ti/PbO2, i=8 mA cm-2,用不同的初始氯酚濃度C0=23.5 mmol dm-3（空符號）；C0=4.7mmol dm-3 （完整符號）</p><p>　　穩(wěn)態(tài)條件下，可以假定羥基自由基的產(chǎn)生根據(jù)公式（2）和有機物的氧化消耗（公式3 ）以及析氧（公式4） ，所以一般的反應可以被偽一級動力學描述。</p&

27、gt;<p>　　表面速率常數(shù)Ki與真實速率常數(shù)ki相關(guān)</p><p>　　θOH 指用OH自由基在穩(wěn)定狀態(tài)下的電極覆蓋度。</p><p>　　考慮到動力學方程和化學計量學的反應，下面的一組差別的方程可以寫成：</p><p>　　積分方程8–10適合于以下初始條件：</p><p>　　t =0 [R1]=[R0] [

28、R2]=[R3]=0</p><p>　　反應物和產(chǎn)品的濃度就與初始氯酚濃度有關(guān)，可以得到：</p><p>　　表1 表面動力學常數(shù)的估計值</p><p>　　表1總結(jié)了不同的實驗條件下得到的反應速率常數(shù)的值，盡量減少實驗值和正規(guī)化濃度計算值之差的平均值總合。</p><p>　　從表1中還觀察到， 在電解液中氯化的存在鈉會導致在K1的

29、增加，但是沒有影響K3 。氯化鈉特殊的催化作用已在用Ti/IrO2[8]氧化酚時被報道。電化的CLO-可以在陽極附近氧化環(huán)狀有機化合物。</p><p>　　圖4 模型的預測（系）和電解的實驗數(shù)據(jù)，用Ti/PbO2 i=8 mA cm-2（空符號）, 用Ti/SnO2 i=16 mA cm-2（完整符號）</p><p>　　圖4表明，數(shù)學模型可以成功地用于預測系統(tǒng)的運行狀況。如表1所示，

30、Ti/PbO2速率常數(shù)的增加值，但實用的電流密度不按比例。</p><p>　　此外，兩種電極在氯酚氧化成醌化合物之內(nèi)第二個的反應步驟（開環(huán)）比第一個快。特別是，在Ti/SnO2陽極得到K1和K2較高的值以及以及K2/K1比例，而不是在Ti/PbO2陽極，所以在電解過程中發(fā)現(xiàn)一個不同的循環(huán)中間產(chǎn)物分配：在Ti/PbO2陽極測到少量醌化合物而在Ti/SnO2陽極幾乎沒有。這表明電極材料的影響表現(xiàn)在不同反應階段的動力

31、學上。事實上，以前的研究表明，當氯酚的電化學降解是在碳電極進行[11] 時，芳香環(huán)的開放變成可控制的步驟。在氧化苯酚[1] 時獲得了類似的結(jié)果：在電解時，醌化合物累積在鉑陽極上，而在二氧化錫電極上發(fā)現(xiàn)少量這些化合物。</p><p>　　圖5 在電解時法拉第效率（●○）和循環(huán)中間產(chǎn)物的一小部分（■□）的除去。i=16 mA cm-2，Ti/PbO2 （完整符號）和Ti/SnO2 （空符號）</p>

32、<p>　　此平行的反應路徑可以解釋用Ti/PbO2電解時氯酚濃度更迅速減少的原因。羧酸的穩(wěn)定有助于CLO-氧化，使常數(shù)K3不會改變相關(guān)的脂肪酸礦化為二氧化碳。也有人建議，通過苯酚氧化生成非易失性有機氯化合物，但它們正在進一步氧化成揮發(fā)性有機氯化合物（氯仿）[8]。在這項工作采用的條件下，有機氯化合物的存在不能清楚，但其濃度總是很低，因為在電解時，通過高效液相色譜法期間顯示，沒有新的高峰。</p><p&g

33、t;　　最后，為了比較兩個電極材料的性能，按照即時的法拉第產(chǎn)量和環(huán)狀化合物移除(ε）部分趨勢，同樣必須考慮溶液 COD漸漸地減少（圖5） 。當溶液的COD仍然很高時用Ti/SnO2比Ti/PbO2獲得更高的ηF值 。當環(huán)狀化合物的去除幾乎完成時觀察到效率下降?？梢缘贸鼋Y(jié)論認為，分別使用Ti/PbO2或Ti/SnO2陽極，既是獲得類似法拉第的平均產(chǎn)量，然而后者則是首選，因為其氧化有毒化合物的更好的能力。事實上，使用Ti/SnO2陽極可以完

34、成有效的電化學處理(ηF≌50％ ），當溶液COD直到300 mg dm-3時電解停止，因為只有一小部分易生物降解草酸在水中（ε>0.95 ）。</p><p>　　得到的結(jié)果是有希望和擴展研究到更廣泛的pH范圍和需要的電流密度以便更好地匹配操作參數(shù)，從事于廢水處理的實際應用。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>

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42、。在這半年的學習過程中，老師淵博的學識，嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，對工作精益求精的追求，以及對問題敏銳的洞察力給我留下了深刻的影響。更為重要的是老師不僅在學業(yè)上給予了我無私的幫助和支持更以他為人師表的風范教會了我許多做人的道理。在此，我對朱老師所付出的辛勤勞動和無私的幫助表示最衷心的感謝和最崇高的敬意！</p><p>　　本實驗還得到了秦瑞煥師姐、高小莉、姬玉、雷振明等同學的無私幫助，在此，一并表示深深感謝！</p