铝空气电池产过氧化氢和产电性能影响因素及降解四环素效果的研究

作     者：宫皓阳 

作者单位：安徽建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱曙光;韦伟

授予年度：2022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）] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：铝空气电池 四环素 空气阴极 产电 产H2O2 

摘      要：近年来,抗生素滥用导致的污染问题愈发严重。四环素作为最常用的一类抗生素,在水体中有较高的检出量,是当前水处理领域的研究热点。芬顿法是降解四环素的有效方法之一。然而,传统的芬顿法需要消耗大量HO。本文将铝空气电池和芬顿氧化结合在一起,利用O的二电子还原,在铝空气电池空气阴极上原位生成HO,再通过芬顿反应生成·OH来降解四环素。实验中,以碳材料为催化剂制备了空气阴极,研究了铝空气电池的产电性能和产HO的能力,筛选出产HO的效果最好的阴极催化剂。再通过对比研究,得到产HO以及降解四环素的最佳参数条件。本文的主要内容和结论如下:(1)分别以活性炭、炭黑、石墨三种碳材料为催化剂制备了空气阴极,对比研究了不同碳催化剂的催化性能。采用SEM、BET、LSV等表征手段对三种空气阴极进行了表征,以观察三种空气阴极的形貌、孔隙结构和电化学性质。再对比研究了三种阴极的产电性能和产HO的能力。结果表明,活性炭阴极产电性能最好,其最大功率密度达到了1016.95m W/m。而石墨阴极的HO产量最高,达到了19.78 mg/L。表明在活性炭阴极中,主要进行O的四电子还原,而在石墨阴极中主要进行O的二电子还原。这是因为活性炭阴极中有丰富的微孔结构,能够为O提供更多的ORR位点。而石墨阴极中孔隙较少,且多为大孔和介孔。然后,对石墨空气阴极中石墨与PTFE的比例进行了优化研究。结果表明,石墨与PTFE的比例为5:1时催化性能最好,但是G5阴极上的石墨容易脱落,不利于实际应用。因此,后续实验空气阴极中石墨和PTFE质量比采用3:1。(2)探究了电解液浓度、初始pH值、水力条件、外部电阻对铝空气电池产过氧化氢和产电性能的影响。实验结果表明:Na Cl溶液浓度从1 g/L增加到10 g/L时,电池产电性能和产HO能力都会提高;初始pH值也是一个重要的影响因素,初始pH值为3时HO的产量最高,初始pH值为1时产电性能最好。但是初始pH值为1时电池以副反应为主,很少生成HO;水力条件对电池的产电性能没有太大影响,但会影响HO产量,水力循环流量越大,HO的产量最低;外部电阻对电池产HO的能力影响很大,外部电阻越小,HO的产量最高。综上,电池产HO的最佳条件为:10 g/L的Na Cl溶液,初始pH值为3,外部电阻10Ω,水力条件为静止状态,此时24h后HO浓度达到了127.07 mg/L。(3)在电池中投加Fe,研究了不同参数下铝空气电池对四环素的去除效果。研究的参数包括水力条件、电解液浓度、Fe浓度、四环素初始浓度、外部电阻。实验结果表明:水力条件对四环素去除率有一定影响,水力循环流量越大,四环素去除效果越好;Na Cl溶液浓度也对四环素去除率有一定影响,随着Na Cl溶液浓度的提高,四环素去除速率也会随之增加;Fe浓度对四环素去除率的影响比较复杂,当Fe浓度从0增加到25 mg/L时,四环素去除率明显提高。但当Fe浓度继续提高50 mg/L时,四环素去除速率会降低;四环素初始浓度从10 mg/L增加到50 mg/L时,四环素去除速率会降低;外部电阻对四环素去除率有较大影响,随着外部电阻从100Ω降低到10Ω,四环素去除速率会明显提高。在电池开路状态下,四环素的去除率很低。(4)通过自由基捕获实验研究了铝空气电池去除四环素的机理。结果表明,加入异丙醇的实验组中四环素的去除率与未加入Fe的结果相似,都要低于加入Fe的实验组。前者四环素去除率只有87%,后者在99%以上。这表明电池对四环素的去除作用归因于两点:一是·OH的降解作用;另一个是絮凝剂的絮凝作用,其中·OH起着主要作用。·OH可以使四环素降解为无毒无害的小分子,而絮凝剂只能将四环素通过物理作用去除。