掺杂活性炭纤维阴极在印染废水处理的电催化活性和作用机制

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电芬顿氧化处理废水效率主要取决于溶解氧在阴极材料表面2电子还原反应(ORR)产生过氧化氢(H2O2),而ORR动力学很大程度上依赖于电极材料。对不同碳基材料(如碳毡、活性炭纤维、碳海绵等)进行金属或非金属掺杂改性,是目前阴极材料研发的热点。开发价格低廉、绿色环保的电催化材料对原位电化学合成H2O2高效处理难降解有机废水具有重要的意义。本文对比了碳毡(CF)、石墨毡(GF)、活性炭纤维(ACF)电催化性能及其对模拟废水中活性红X-3B(RRX-3B)降解效果,发现ACF具有较高的电化学处理效率。采用硝酸铈、氯化铁、氯化钴、硫酸铜、硝酸镧、磷酸、硼酸、尿素对ACF掺杂改性,利用水热-煅烧制备了金属单独掺杂的Ce/Fe/Co/Cu/La-ACF和非金属单独掺杂的N/P/B-ACF阴极材料,用于含1000 mg/L活性红X-3B模拟染色废水氧化处理。实验结果表明,Fe/Co/Cu/La-ACF反应180 min后仍无法脱色完全,UV254和COD去除率排序为:Ce-ACF>Cu-ACF>RACF>Co-ACF>Fe-ACF>La-ACF。Ce-ACF去除率(86.25%,88.63%)明显高于RACF和其它金属掺杂改性;N/P/B-ACF作阴极氧化30 min后脱色率均在95%以上,反应180 min,UV254和COD去除率排序为:PACF>BACF>NACF>RACF。PACF去除率(97.38%,91.33%)显著高于其他金属和非金属改性;在65%磷酸溶液170℃水热24 h,氮气气氛700℃煅烧2 h制备的磷掺杂改性ACF(PACF)阴极处理效果最佳,90 min使活性红X-3B溶液完全脱色,COD去除率和矿化率高达91.33%和92.97%。利用SEM、BET、XRD、XPS对改性前后电极材料的微观结构进行了表征,发现ACF表面存在P=O、P-O-P等含氧官能团。磷原子电负性大,电子转移效率高,为电催化反应提供了大量活性位点。PACF具有更大的比表面积(1697.70 m~2/g),促进氧气和有机物传质以及电子传递;通过循环伏安特性曲线(CV)和扫描伏安曲线(LSV)测试了掺磷活性炭纤维阴极电化学性能,表面掺杂磷后显著提高其氧化还原活性。以PACF为阴极,使用DSA(形稳阳极),探讨了电化学氧化处理染料废水的影响因素。在p H为3.0、Fe2+浓度为0.6 m M、电流密度为20 m A/cm~2的工艺条件下,反应180 min后,色度、UV254、COD去除率达最大,分别为100%、97.13%、99.02%。PACF重复使用5次,由于阴极上P溶出,活性位点损失,COD去除率降至44.25%,但仍高于未改性活性炭纤维电极。自由基检测表明,在污染物降解过程中起主要作用的是O2-·,自由基的贡献率排序为O2-·>·OH>~1O2≈SO4-·;Fe2+和Fe3+的价态循环,触发链式反应机制,随着自由基转化的反应速率加快,形成了更多O2-·和·OH攻击活性红X-3B中偶氮键N=N,实现废水脱色和污染物高效矿化。
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