纤维素衍生碳气凝胶基阴极材料制备及电芬顿法去除吉非贝齐效能研究

作     者：赵少远 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁守军;胡晶莉

授予年度：2021年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：碳气凝胶 电芬顿 层状双氢氧化物 响应曲面法 吉非贝齐 

摘      要：目前,电化学高级氧化工艺(EAOPs)由于其彻底去除水中难降解有机物污染物的应用潜力,受到越来越多的关注。均相/非均相电芬顿技术(EF/HEF)是基于芬顿反应的EAOPs,具有环境友好、运行稳定、高效等特点,所以在处理水中新型污染物方面是一类最常被应用研究的EAOPs。目前电芬顿技术存在着氧气利用率低,电流效率不高,造价成本过高的问题,而阴极材料是解决上述问题的关键,因此开发设计一种经济高效、综合性能良好的阴极材料是电芬顿水处理技术研究的重心。纤维素衍生碳气凝胶(CCA)丰富易得、且具有丰富的孔隙结构、可调控的表面化学与良好的导电性等特性,被选为本研究电芬顿阴极材料的衬底,后由此制备出Fe/FeLDH-CCA阴极材料。本文以罗丹明B(Rh B)为模型化合物,利用响应曲面法对材料的制备过程进行连续性优化,并结合电化学性能测试和材料表征,系统地考察了制备工艺参数对材料电催化氧化性能的影响。以PPCPs类吉非贝齐为目标污染物,研究了Fe/FeLDH-CCA阴极材料对GEM去除效能和降解机制,并评估了该电芬顿体系的实际运行效能。本文以天然纤维素为原料,通过溶胶凝胶-水热法制备了Fe/FeLDH-CCA。选取罗丹明B(Rh B)为模型污染物,采用响应曲面法对材料制备过程变量(纤维素含量C、碳化温度T与催化剂生长浓度C)与Fe/FeLDH-CCA电催化氧化性能关系进行考察,由分析统计模型可知,最佳制备条件为纤维素含量C=5 wt%,碳化温度T=850℃,催化剂生长浓度C=25 mmol/L,在此条件下,Rh B的180 min去除率超过85%,材料的电芬顿催化氧化性能达到最优水平,记为5-B-Ⅲ。通过场发射扫描电镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、氮气吸附脱附曲线、傅里叶红外变换光谱(FT-IR)、拉曼光谱(Raman),结果表明,碱脲法给Fe/FeLDH-CCA材料引入1%自掺杂型N元素和丰富的含氧官能团,且碳气凝胶的石墨化程度高,改善了碳气凝胶基对溶液中氧气的利用能力,促进2e氧还原反应速率。表面催化剂主要成分是Fe OOH和FeO,催化剂层的生长对材料的结构特性影响有限,但是对材料的电催化性能有明显的促进作用。将优选出来的5-B-Ⅲ型Fe/FeLDH-CCA材料作为电芬顿阴极,用于去除目标污染物GEM,结果表明,60min内Fe/FeLDH-CCA去除GEM曲线符合伪一级动力学,其中反应条件初始p H、电流密度i、氧气通量对GEM去除效率影响显著,最佳的试验条件为p H=3.78,Q=200 m L/min,i=60 m A,T=35℃。材料具备良好的稳定性及复用性能,循环8次后对GEM的去除率仍能达到96.9%,Fe溶出含量低于130.1μg/L。最优试验条件下,5-B-Ⅲ型材料去除GEM,在8 h可以实现彻底矿化,矿化电流消耗随电流密度降低而减少。电芬顿降解GEM作用机制研究表明,阳极氧化、吸附在去除GEM的贡献能达到49.7%,活性基团为羟基自由基·OH,主要通过阴极表面的非均相电芬顿产生。对GEM的降解路径进行分析发现,芳香族中间产物基本吸附在阴极板上并逐步裂解,芳香族开环产物和断裂的侧链中间产物扩散到溶液中,被彻底矿化降解为最终产物CO和HO,这些结果表明Fe/FeLDH-CCA对GEM废水脱除毒性效果明显。