學(xué)士學(xué)位論文：改性 PbO2電極催化氧化偶氮染料橙黃Ⅱ機(jī)理研究

學(xué)士學(xué)位論文

題目：改性 PbO2電極催化氧化偶氮染料橙黃Ⅱ機(jī)理研究

院（系） 材料學(xué)院
專 業(yè) 應(yīng)用化學(xué)
屆 別 2012屆
學(xué) 號(hào) 0814131042
姓 名 張秋東
指導(dǎo)老師 楊衛(wèi)華 副教授


華僑大學(xué)教務(wù)處印制
2012年6月



摘 要

橙黃II屬于一種強(qiáng)酸性單偶氮染料，其水溶性良好，主要作為皮革、化工等工業(yè)用品的染色劑。具有很強(qiáng)的致癌性，對(duì)人體危害相當(dāng)大，且易擴(kuò)散、難降解。目前降解染料廢水有多種技術(shù)，電催化氧化技術(shù)由于操作簡(jiǎn)便，降解效率高，與環(huán)境兼容等優(yōu)點(diǎn)引起研究者的極大興趣。本文以稀有金屬Er改性PbO2電極研究電催化降解去除橙黃II的工藝條件，探討了電流密度，酸堿度和橙黃II初始濃度對(duì)去除效果的影響規(guī)律。
本文又進(jìn)一步研究了橙黃II染料廢水被處理前后的紅外光譜，反應(yīng)液在不同反應(yīng)時(shí)間的紫外光譜以及橙黃II降解的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。橙黃II最終被降解成CO2和H2O，電催化降解橙黃II反應(yīng)符合準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律。

關(guān)鍵詞：橙黃II；電催化氧化；改性PbO2電極；動(dòng)力學(xué)過(guò)程












Abstract

Orange II is a kind of strong acidic monoazo dyes,Its good in water solubility,mainly used as leather, chemicals and other industrial supplies as staining agent.Its to*icity is salient and it is easy to diffuse and difficult to degrade. There are several ways to degrade the dye waste water. Electro-catalytic o*idation technology aroused great interest of the researchers for its h
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3.4.2.3初始pH對(duì)橙黃II電催化降解的影響 18
3.4.3 電催化氧化表觀動(dòng)力學(xué)研究 18
3.4.4 羥基_基的檢測(cè) 20
3.4.5 橙黃II電催化降解前后的紅外吸收光譜 23
結(jié)論 24
參考文獻(xiàn) 25
致 謝 27


第一章 緒論
1.1 引言
水資源短缺是目前整個(gè)世界都要面臨和解決的問(wèn)題，在我國(guó)更是如此。我國(guó)水資源相對(duì)比較貧乏，且地區(qū)分布不均，各個(gè)方面造成的水污染現(xiàn)象也在增多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)由于水質(zhì)污染嚴(yán)重而不能用于灌溉的河段占23％，45％的河段魚(yú)蝦絕跡。在人類大量提倡提高生活質(zhì)量的今天，控制和解決水污染問(wèn)題已成為人們刻不容緩要解決的一個(gè)方向。隨著紡織工業(yè)的迅速發(fā)展，染料的品種和數(shù)量日益增加。染料在給人們帶來(lái)絢麗多彩和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的“三廢”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在染料生產(chǎn)過(guò)程中，每生產(chǎn)1 噸染料，約2％的產(chǎn)品隨廢水流失，而在印染過(guò)程中損失量更大，為所用染料的10％左右[1]。染料和印染工業(yè)要排放大量的廢水，約占工業(yè)廢水總排放量的1/10，已成為水系環(huán)境的重點(diǎn)污染源之一。僅2000年我國(guó)染料廢水排放量就高達(dá)14 億噸左右，且治理率不到34％，治理合格率僅為58.3％。印染廢水其水質(zhì)復(fù)雜，有機(jī)含量高，有毒性，生化性差，COD 高，BOD/COD 低，而且色度高[2]，如果不經(jīng)處理直接排放，不但會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，而且會(huì)通過(guò)飲水和食物鏈的傳遞威脅到人體健康。為此，研究和探尋有效治理印染廢水的方法和工藝，對(duì)于保護(hù)水環(huán)境，促迸經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
印染行業(yè)是工業(yè)廢水的排放大戶，同時(shí)這些廢水中的苯系、萘系、蒽醌系以及苯胺、硝基苯、酚類偶氮染料等有機(jī)物質(zhì)具有生物積累性，三致性，毒性，危害極大[3]。因此對(duì)印染行業(yè)廢水的有效處理已引起相關(guān)部門的高度重視。印染廢水具有如下特點(diǎn)[4]：(1)色度大、有機(jī)物含量高。印染廢水總體上屬于有機(jī)廢水，其中所含的顏料及污染物主要由天然有機(jī)物質(zhì)及人工合成有機(jī)物質(zhì)所構(gòu)成。(2)水質(zhì)變化大。印染廢水是印染企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的各種廢水混合后的總稱。因此，COD 高時(shí)可達(dá) 2000-3000 mg•L-1，且 BOD、COD 之比小于0.2，可生化性差。(3) pH變化大。由于不同纖維織物在印染加工中所使用的工藝不同，在染色或印花中需要在不同條件下進(jìn)行染色，因此不同纖維織物在印染加工中所排放廢水的pH值是不同的。(4)水溫水量變化大。由于加工品種、產(chǎn)量的變化，導(dǎo)致水溫水量的不穩(wěn)定。正是由于印染廢水的這些特點(diǎn)，導(dǎo)致印染廢水極難處理，已成為廢水處理領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
目前，一些物理、化學(xué)和生物處理技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)廢水處理，但是對(duì)于石化、電子、制藥、農(nóng)藥和印染等行業(yè)產(chǎn)生的有毒有害廢水的處理仍缺少經(jīng)濟(jì)而有效的實(shí)用技術(shù)[5]。由于造成水體污染的主要污染物質(zhì)是有機(jī)物，對(duì)于有機(jī)物的處理一般采用生物法。但對(duì)于某些含有多環(huán)芳烴類化合物、硝基化合物、有機(jī)氯化合物等有毒有害的“三致”(致癌、致畸、致突變)物質(zhì)的廢水，采用常規(guī)的生物化學(xué)處理方法很難處理此類廢水。隨著生物難降解有機(jī)污染物或生物毒性污染物的日益增多，傳統(tǒng)的生物處理技術(shù)也面臨極大的挑戰(zhàn)。色度的去除是印染行業(yè)廢水處理的一大難題，傳統(tǒng)水處理工藝中采用的吸附、絮凝、氣浮及生物氧化法，往往不能達(dá)到預(yù)期的去除效果[6-9]。近年來(lái)，電化學(xué)處理法引起了重視，電催化氧化法是近年發(fā)展起來(lái)的一種處理染料廢水技術(shù)，由于具有處理效率高、操作簡(jiǎn)便、應(yīng)用靈活、易于自動(dòng)化、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，因而在染料及印染廢水處理的研究中受到廣泛的關(guān)注。
1.2 電化學(xué)高級(jí)氧化技術(shù)
全球范圍內(nèi)工業(yè)的迅速發(fā)展雖然帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，但也導(dǎo)致了水污染問(wèn)題日益重。由于工業(yè)廢水中污染物成分復(fù)雜，變化較大，含有大量難以降解的有機(jī)物，因此工業(yè)廢水的處理成為國(guó)內(nèi)外污水處理領(lǐng)域的一大難題。近年來(lái)，電化學(xué)高級(jí)氧化技術(shù)用于處理有機(jī)廢水的研究不斷增加，原因是電化學(xué)法處理難降解的有機(jī)物具有很好的效果，它可以使難生化降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可生化降解的有機(jī)物，或使難生化降解的有機(jī)物發(fā)生電化學(xué)燃燒生成CO2和H2O。與其它水處理方法相比，電化學(xué)水處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于[10]：(1)不需要另外添加氧化還原劑，電解產(chǎn)生的(•OH)_基無(wú)選擇地直接與廢水中的有機(jī)污染物反應(yīng)，將其降解為二氧化碳、水和簡(jiǎn)單有機(jī)物，沒(méi)有或很少產(chǎn)生二次污染；(2)能量效率高，電化學(xué)過(guò)程一般在常溫常壓下就可以進(jìn)行；(3)既可以單獨(dú)處理，又可以與其它處理方法相結(jié)合；(4)電解設(shè)備及其操作一般比較簡(jiǎn)單，如果設(shè)計(jì)合理，費(fèi)用并不昂貴；(5)作為一種清潔工藝，其設(shè)備占地空間小。
1.3 電催化氧化法
1.3.1 概述
電催化氧化法是近年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的一種在生物難降解廢水處理中頗有發(fā)展前景的方法，是一種高級(jí)的電化學(xué)氧化工藝。電催化氧化過(guò)程是利用有電催化性能的陽(yáng)極催化有機(jī)污染物在陽(yáng)極上發(fā)生直接電化學(xué)氧化反應(yīng)，使得有機(jī)污染物被直接氧化降解；或通過(guò)陽(yáng)極催化在線產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的羥基_基(•OH)、臭氧、活性氯等氧化劑，這些活性物種間接氧化降解有機(jī)物。所以，用電化學(xué)氧化的方法可以使難降解有機(jī)物發(fā)生電化學(xué)轉(zhuǎn)化，使有機(jī)物轉(zhuǎn)化成無(wú)毒害作用的中間產(chǎn)物再與生物處理相結(jié)合進(jìn)一步進(jìn)行降解，或直接使有機(jī)污染物徹底轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水等無(wú)機(jī)小分子物質(zhì)，從而消除其對(duì)環(huán)境的污染。由于其不易產(chǎn)生有毒害的中問(wèn)產(chǎn)物，因此更加符合環(huán)境保護(hù)和綠色化學(xué)的要求。
電催化氧化法主要有如下優(yōu)點(diǎn)[11]：
1、電子是電催化氧化法反應(yīng)的主要反應(yīng)物，且電子轉(zhuǎn)移只在電極及廢水組分間進(jìn)行，在氧化過(guò)程中不需另外添加氧化還原劑，避免了由另外添加藥劑而引起的二次污染問(wèn)題；
2、電催化氧化法反應(yīng)過(guò)程中可以通過(guò)改變電流、電壓，隨時(shí)調(diào)節(jié)反應(yīng)條件，可控制性較強(qiáng)；
3、過(guò)程中可能產(chǎn)生的_基無(wú)選擇地直接與廢水中的有機(jī)污染物反應(yīng)，將其降解為CO2 、H2O和簡(jiǎn)單有機(jī)物，沒(méi)有或很少產(chǎn)生二次污染；
4、能量效率高，反應(yīng)條件溫和，可以在常溫常壓下進(jìn)行；
5、作為一種清潔工藝，其設(shè)備占地面積小，特別適合于人口擁擠的城市中污水的處理，在綠色工藝方面極具潛力；
6、反應(yīng)器設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，操作與維護(hù)費(fèi)用低；
7、具有多功能性，可同時(shí)去除多種污染物質(zhì)，產(chǎn)生的氣體還可起到氣浮作用。當(dāng)廢水中含有會(huì)屬離子時(shí)，陰、陽(yáng)極可同時(shí)起作用如陰極還原金屬離子，陽(yáng)極氧化有機(jī)物，以使處理效率盡可能提高，同時(shí)回收再利用有價(jià)值的化學(xué)品或會(huì)屬；
8、可以作為單獨(dú)處理，又可以與其他處理方法相結(jié)合，可以將難降解有機(jī)物或生物毒性污染物轉(zhuǎn)化為可生物降解物質(zhì)，提高廢水的可生物降解性。
因此，電催化氧化水處理技術(shù)被稱為“環(huán)境友好”技術(shù)，在綠色工藝方面極具潛力，可望得到廣泛應(yīng)用[12]。電極材料是電催化氧化技術(shù)的主要載體，有機(jī)物的降解一般多在陽(yáng)極發(fā)生，它的性能對(duì)于電催化氧化效率具有決定性的影響。因此探索和制備綜合性能好的陽(yáng)極材料是目前電催化氧化工藝的研究重點(diǎn)。電催化氧化技術(shù)目前電催化氧化技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一在于尋找和研制催化活性高、導(dǎo)電性能好的陽(yáng)極材料。
1.3.2 陽(yáng)極材料的選擇
在電解工業(yè)中，電極起著重大作用，電極過(guò)程是將電能直接轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的過(guò)程。電極過(guò)程的方向和動(dòng)力學(xué)，電極和電解槽的結(jié)構(gòu)形式與電解槽壽命，維修費(fèi)和勞動(dòng)力消耗以及工藝過(guò)程的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)等等都在很大程度上取決于電極材料的性能，特別是在電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，電極的耐用性，導(dǎo)電性，催化活性和電能的消耗都有著密切的關(guān)系。因此，電極材料的選擇極為重要。一般情況下作為電極材料必需滿足下面基本要求：(1)具有良好的導(dǎo)電性；(2)耐腐蝕性強(qiáng)；(3)機(jī)械強(qiáng)度和加工性能好；(4)壽命長(zhǎng)，費(fèi)用低；(5)對(duì)電極反應(yīng)具有良好的電催化性能。
因此，在當(dāng)今世界能源緊張、原材料價(jià)格上漲的形勢(shì)下，開(kāi)發(fā)研究新型、高效、穩(wěn)定的電極材料具有十分重要的意義。目前，實(shí)際應(yīng)用中的陽(yáng)極材料有非金屬電極、碳素電極、金屬化合物電極和金屬氧化物電極等。非金屬化合物電極具有特殊的物理性質(zhì)，但其理論研究尚處于起步階段，對(duì)其的應(yīng)用報(bào)道不多，距實(shí)際應(yīng)用時(shí)日尚 ……（未完，全文共24243字，當(dāng)前僅顯示4360字，請(qǐng)閱讀下面提示信息。收藏《學(xué)士學(xué)位論文：改性 PbO2電極催化氧化偶氮染料橙黃Ⅱ機(jī)理研究》）