TiO2-Ti與Fe雙陽極光電催化氧化降解2,4-二氯苯酚的研究.pdf

1、環(huán)境激素類有機(jī)物質(zhì)是一類影響及破壞生物體內(nèi)分泌系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)的化學(xué)物質(zhì)，因其具有毒性大、生化性能差、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、較難降解等特點(diǎn)使一般水處理工藝很難得以應(yīng)用，因此尋求高效廉價的處理工藝已成為目前研究的熱點(diǎn)?；诖?，本研究開發(fā)了高效的TiO2/Ti與Fe雙陽極光電催化氧化(PhotoelectrocatalyticOxidation,PECO)工藝來處理環(huán)境激素有機(jī)類廢水－2,4-二氯苯酚(2,4-dichlorophenol,2,

2、4-DCP)。在通電和紫外光照射下，雙陽極體系中同時發(fā)生TiO2PECO反應(yīng)和E-Fenton反應(yīng)，兩者的協(xié)同效應(yīng)提高了對2,4-DCP的氧化降解效率。
　　本研究采用恒電流-恒電壓低壓陽極氧化工藝制備了TiO2/Ti光電極，并對TiO2/Ti電極進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征及性能測試。然后以TiO2/Ti電極和Fe電極為并列陽極，纖維狀GraphiteFelt(GF)電極為陰極，飽和甘汞電極(SaturatedCalomelElectrode

3、,SCE)為參比電極組建了TiO2/Ti與Fe雙陽極PECO工藝，研究了2,4-DCP在該工藝中的降解情況及反應(yīng)動力學(xué)方程，探討了TiO2PECO反應(yīng)和E-Fenton反應(yīng)的協(xié)同降解效應(yīng)。在最佳工藝條件下，采用本工藝氧化降解鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)，結(jié)果表明該體系對環(huán)境激素類有機(jī)物質(zhì)－DMP也有很高的降解礦化能力。
　　本研究首先以HNO3/HF為電解液，采用低壓陽極氧化工藝制備了TiO2/Ti光電極，考察了制備條件對TiO2/

4、Ti光電極催化性能的影響。然后對TiO2/Ti光電極進(jìn)行了XRD，SEM，F(xiàn)TIR，XPS等結(jié)構(gòu)表征及電化學(xué)和機(jī)械強(qiáng)度性能測試。制備實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在30V的低電壓條件下氧化60min，納米TiO2薄膜就可以均勻的生長在Ti片表面；系列焙燒溫度實(shí)驗(yàn)證實(shí)，溫度500℃，升溫速率為5℃/min，恒溫時間為2h，TiO2晶型轉(zhuǎn)化較明顯而且以銳鈦礦相為主。SEM表征表明TiO2/Ti光電極表面上的微孔分布均勻，孔徑尺寸在60nm左右；XPS與FTIR

5、同時證明Ti表面上的鈦氧化物是TiO2；循環(huán)伏安法(Cyclicvoltammetry，CV)測試表明所制備的TiO2/Ti光電極氧化電位為0.7V；TiO2薄膜附著強(qiáng)度性能測試證實(shí)了該光電極具有較長的使用壽命。
　　然后以TiO2/Ti電極為陽極，GF電極為陰極設(shè)計了TiO2PECO工藝，研究了該工藝對2,4-DCP的降解,考察并優(yōu)化了各工藝參數(shù)對2,4-DCP降解效率的影響。在TiO2PECO工藝反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，以TiO2/T

6、i電極和Fe作并列陽極建立了TiO2/Ti與Fe雙陽極PECO工藝。為控制電流在兩陽極上的分配，本實(shí)驗(yàn)在Fe片上串連一滑線變阻器。此體系的設(shè)計有三個主要優(yōu)點(diǎn)：一是降解有機(jī)物的氧化物質(zhì)均由體系自身生成，因?yàn)樵陔娏髯饔孟?，F(xiàn)e2+從Fe陽極上析出，H2O2在陰極附近生成，因此，體系中形成了氧化降解性能很強(qiáng)TiO2PECO和E-Fenton反應(yīng)；二是TiO2PECO和E-Fenton反應(yīng)的協(xié)同效應(yīng)提高了對2,4-DCP的降解；三是擴(kuò)大了雙陽極

7、PECO工藝對廢水pH的使用范圍。
　　在雙陽極PECO工藝中，本研究分別考察了外加電流及電流在兩陽極上的分配、曝氧速率、光源的輻射強(qiáng)度、初始濃度、外加偏壓、溶液pH值及溶液中陰離子對2,4-DCP降解的影響；研究了體系中H2O2的生成及pH的變化；雙陽極工藝對2,4-DCP的脫氯效率和礦化能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)2,4-DCP的初始濃度為15mg/L時，在3.2mA的低電流密度下，電流在TiO2/Ti光電極和Fe陽極上的分配系數(shù)為

8、0.2:3.0、曝氧速率為40ml/min、UV-A功率為8W（I=158μW/cm2）、TiO2/Ti光電極的有效面積為5cm2、溶液pH為3時，體系對2,4-DCP的降解率和礦化率高達(dá)95.3％和80%，脫氯率高達(dá)81%。H2O2生成實(shí)驗(yàn)表明此體系有較大的H2O2生成濃度和較高的電流效率；pH影響實(shí)驗(yàn)表明此體系可以在較寬pH(3-9)范圍內(nèi)工作，對酸堿環(huán)境的兼容性很強(qiáng)。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，本研究還考察了雙陽極PECO工藝氧化降解鄰苯二