本文關(guān)鍵詞：原位生物電催化過氧化氫氧化降解偶氮染料的性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：染料廢水具有色度高、毒性大、成分復(fù)雜、可生化性差的特點,是難處理的工業(yè)廢水之一。電芬頓技術(shù)作為重要的電化學(xué)高級氧化技術(shù),在處理難降解污染物方面引起越來越多的關(guān)注,但高能耗、低pH值、鐵污泥產(chǎn)量大限制了其應(yīng)用。微生物燃料電池(MFC)能把生活污水中有機物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,一直是近年來污水處理領(lǐng)域的研究熱點。MFC可以驅(qū)動陰極電芬頓反應(yīng),不但大大降低了電芬頓技術(shù)的能耗,還能回收一部分電能,具有良好的應(yīng)用前景。然而,MFC驅(qū)動的陰極電芬頓系統(tǒng)仍存在氧還原過電位高、過氧化氫(H2O2)產(chǎn)量低、產(chǎn)生鐵污泥、羥基自由基(·OH)的有效利用率低等問題。針對上述這些問題,本文分別從陰極電極材料和催化過氧化催化劑兩方面進行了研究。其一,利用導(dǎo)電性強、比表面積大的石墨烯與單磺酸基蒽醌(AQS)形成的復(fù)合物作為MFC的陰極,降低氧還原過電位,從而增強陰極生產(chǎn)H2O2的能力。其二,利用有機金屬螯合物酞菁鐵(FePc)取代游離態(tài)的亞鐵離子(Fe2+),與H2O2反應(yīng)生成高價的活性物種O=FeⅣPc,使陰極的催化氧化更具選擇性,同時也能拓寬陰極液的pH范圍和避免鐵污泥的產(chǎn)生。以單磺酸基蒽醌/石墨烯復(fù)合物為MFC陰極材料,酞菁鐵為過氧化催化劑,構(gòu)建新型生物電催化過氧化氫氧化系統(tǒng),應(yīng)用于偶氮染料剛果紅的降解研究。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：(1)用化學(xué)還原—吸附的方法把AQS以π--π鍵相互作用的非共價方式固定在還原的氧化石墨烯(RGO)的基平面上,形成AQS/RGO復(fù)合物。AQS的吸附有利于RGO在水中的分散,其在RGO表面的濃度估計為1.72×10-12 mol/cm2。以鐵氰化鉀為氧化還原探針的電化學(xué)實驗結(jié)果表明,RGO能加速AQS分子與碳材料電極之間的電子傳遞速率。相比于AQS和RGO,AQS/RGO修飾電極在中性的磷酸鹽緩沖溶液中表現(xiàn)出更好的電催化氧還原活性。旋轉(zhuǎn)圓盤電極技術(shù)證明,當(dāng)陰極電位高于-1.0 V時,氧還原產(chǎn)物以H202為主；而當(dāng)陰極電位低于-1.0 V時,氧還原產(chǎn)物主要是H2O。AQS/RGO復(fù)合物可以用作低過電位下合成H2O2的電極催化劑。(2)以實驗制備的AQS/RGO復(fù)合物用作MFC的陰極來生產(chǎn)H2O2,同時陽極去除廢水中的化學(xué)需氧量(COD)并輸出一定量的電能。與對照實驗相比,AQS/RGO復(fù)合物作為MFC的陰極,在對外輸出電能、陽極COD去除以及陰極生產(chǎn)H2O2方面都具有相對較為優(yōu)越的性能表現(xiàn),其最大輸出功率密度為750.3 mW/m3,外阻為1000Ω下的一個周期的陽極COD去除率和陰極H2O2濃度分別為74.3%和24.5 mg/L。外阻對MFC各方面性能都有較大影響,降低外阻運行,有利于陽極COD的去除和陰極H2O2產(chǎn)量的提高。以1000Ω外阻運行MFC八個周期,陰極H202的產(chǎn)量較為穩(wěn)定。(3)為提高FePc的催化性能,以廉價的剝離石墨(EG)為載體,制備出FePc/EG復(fù)合物催化劑。掃描電鏡結(jié)果顯示,FePc以納米棒的形態(tài)均勻分散在EG表面。實驗對其催化H202氧化偶氮染料剛果紅的活性進行了測試。結(jié)果表明,FePc/EG復(fù)合物對H202有良好的催化活性,在中性條件下100μM的剛果紅150 min內(nèi)的脫色率可達(dá)到94.4%。FePc/EG復(fù)合物具有較高的催化活性是由于FePc與EG之間存在協(xié)同效應(yīng),不僅提高FePc/EG的吸附量,同時也能促進剛果紅的氧化降解。低pH有利于剛果紅的催化氧化降解,而較高的初始濃度會降低染料的脫色效率。以叔丁醇為自由基抑制劑的實驗結(jié)果表明,催化氧化過程中涉及到過氧化物HOOFeⅢPc的O-O鍵均裂,形成活性物種O=FeⅣPc和·OH。用液相質(zhì)譜聯(lián)用分析技術(shù)揭示了剛果紅的降解途徑,剛果紅分子的偶氮鍵和芳環(huán)C-C鍵都被破壞,其降解產(chǎn)物為馬來酸、丙二酸等小分子有機酸。(4)以FePc/EG復(fù)合物為催化劑,組建顆粒床催化氧化反應(yīng)器(COR),并與MFC陰極室串聯(lián)形成新型生物電催化過氧化氫氧化(MFC-COR)系統(tǒng),以葡萄糖模擬廢水為能量來源,在陰極氧化降解偶氮染料剛果紅。實驗結(jié)果表明,陰極產(chǎn)生的H202和陰極液中的溶解態(tài)02可同時作為COR反應(yīng)器中的氧化劑,用于剛果紅的氧化降解。90%以上的剛果紅(100μM)能在72 h內(nèi)得到降解,其降解產(chǎn)物為毒性小且易生物降解的小分子。MFC的開路電勢和最大功率密度可分別達(dá)到0.615 V和808.3 mW/m3。外阻和陰極液pH對剛果紅的脫色效率影響較大。連續(xù)運行33個周期后,剛果紅72 h的脫色率降低了19.3%,主要是由于COR反應(yīng)器中FePc/EG催化劑部分失活的緣故。
【關(guān)鍵詞】：偶氮染料 氧還原反應(yīng) 微生物燃料電池 催化氧化 酞菁鐵
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X788
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• TABLE OF CONTENTS12-15
• 圖目錄15-17
• 表目錄17-18
• 主要符號表18-19
• 1 緒論19-43
• 1.1 染料廢水的來源、特點及危害19-20
• 1.2 染料廢水處理技術(shù)研究進展20-27
• 1.2.1 物理法20-22
• 1.2.2 化學(xué)法22-25
• 1.2.3 生物法25
• 1.2.4 存在的問題及展望25-27
• 1.3 電芬頓技術(shù)27-32
• 1.3.1 電芬頓技術(shù)簡介27-29
• 1.3.2 電芬頓技術(shù)研究進展29-32
• 1.3.3 存在的問題32
• 1.4 微生物燃料電池32-40
• 1.4.1 微生物燃料電池簡介32-36
• 1.4.2 微生物燃料電池處理染料廢水的研究進展36-38
• 1.4.3 微生物燃料電池產(chǎn)過氧化氫及耦合陰極電芬頓反應(yīng)研究進展38-40
• 1.5 本文的研究目的、意義和內(nèi)容40-43
• 1.5.1 研究目的和意義40-41
• 1.5.2 研究內(nèi)容41-43
• 2 單磺酸基蒽醌/石墨烯復(fù)合物的制備及其電化學(xué)性質(zhì)43-59
• 2.1 引言43
• 2.2 實驗部分43-46
• 2.2.1 主要藥品43-44
• 2.2.2 主要設(shè)備與儀器44
• 2.2.3 實驗操作44-46
• 2.3 結(jié)果與討論46-58
• 2.3.1 單磺酸基蒽醌/石墨烯復(fù)合物的合成與表征46-51
• 2.3.2 電化學(xué)實驗51-58
• 2.4 本章小結(jié)58-59
• 3 單磺酸基蒽醌/石墨烯復(fù)合物MFC陰極生產(chǎn)過氧化氫性能59-75
• 3.1 引言59-60
• 3.2 實驗部分60-66
• 3.2.1 主要藥品60
• 3.2.2 主要設(shè)備與儀器60
• 3.2.3 實驗操作60-63
• 3.2.4 分析與計算方法63-66
• 3.3 結(jié)果與討論66-74
• 3.3.1 微生物燃料電池的產(chǎn)電性能66-68
• 3.3.2 陽極COD去除情況68-69
• 3.3.3 陰極過氧化氫產(chǎn)量69-71
• 3.3.4 外阻的影響71-73
• 3.3.5 陰極產(chǎn)過氧化氫的穩(wěn)定性73-74
• 3.4 本章小結(jié)74-75
• 4 酞菁鐵/剝離石墨的制備及其催化過氧化氫降解剛果紅性能75-96
• 4.1 引言75-76
• 4.2 實驗部分76-79
• 4.2.1 主要藥品76-77
• 4.2.2 主要設(shè)備與儀器77
• 4.2.3 實驗操作77-79
• 4.3 結(jié)果與討論79-95
• 4.3.1 酞菁鐵/剝離石墨復(fù)合物的表征79-84
• 4.3.2 剛果紅的催化氧化降解84-87
• 4.3.3 影響脫色的各種因素87-89
• 4.3.4 酞菁鐵/剝離石墨的催化穩(wěn)定性89-90
• 4.3.5 催化氧化機理分析90-92
• 4.3.6 剛果紅的產(chǎn)物分析及降解途徑92-95
• 4.4 本章小結(jié)95-96
• 5 原位生物電催化過氧化氫氧化系統(tǒng)降解剛果紅染料96-112
• 5.1 引言96-97
• 5.2 實驗部分97-99
• 5.2.1 主要藥品97
• 5.2.2 主要設(shè)備與儀器97
• 5.2.3 實驗操作97-99
• 5.3 結(jié)果與討論99-111
• 5.3.1 陽極液流速的確定99-101
• 5.3.2 陰極過氧化氫的產(chǎn)量101
• 5.3.3 微生物燃料電池集成催化氧化系統(tǒng)降解剛果紅101-104
• 5.3.4 剛果紅對微生物燃料電池產(chǎn)電的影響104-105
• 5.3.5 外阻對脫色的影響105-106
• 5.3.6 陰極液pH對脫色的影響106-107
• 5.3.7 陰極液流速對脫色的影響107-108
• 5.3.8 催化劑的穩(wěn)定性108-109
• 5.3.9 剛果紅的降解產(chǎn)物分析109-111
• 5.4 本章小結(jié)111-112
• 6 結(jié)論、創(chuàng)新點與展望112-115
• 6.1 結(jié)論112-113
• 6.2 創(chuàng)新點113
• 6.3 展望113-115
• 參考文獻115-129
• 作者簡介129
• 攻讀博士學(xué)位期間科研項目及科研成果129-130
• 致謝130

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 劉志平;鐘賢;艾智慧;;基于納米Fe/ACF電極的陰極E-Fenton氧化處理生活污水的研究[J];華中師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2008年01期

  本文關(guān)鍵詞：原位生物電催化過氧化氫氧化降解偶氮染料的性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：291264