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 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 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題，在我國更是如此。我國水資源相對比較貧乏，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，但是對于石化、電子、制藥、農(nóng)藥和印染等行業(yè)產(chǎn)生的有毒_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，對于有機(jī)物的處理一般采用生物法。但對于某些含有多環(huán)芳烴類化合物、硝基化合物、有機(jī)氯化合物等有毒_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，電化學(xué)處理法引起了重視，電催化氧化法是近年發(fā)展起來的一種處理染料廢水技術(shù)，由于具有處理效率高、操作簡便、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，但也導(dǎo)致了水污染問題日益重。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)廢水的處理成為國內(nèi)外污水處理領(lǐng)域的一大難題。近年來，電化學(xué)高級氧化技術(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、水和簡單有機(jī)物，沒有或很少產(chǎn)生二次污染；(2)能量效率高，電化學(xué)過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逐漸發(fā)展起來的一種在生物難降解廢水處理中頗有發(fā)展前景的方法，是一種高級的電化學(xué)氧化工藝。電催化氧化過程是利用有電催化性能的陽極催化有機(jī)污染物在陽極上發(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；或通過陽極催化在線產(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機(jī)小分子物質(zhì)，從而消除其對環(huán)境的污染。由于其不易產(chǎn)生有毒害的中問產(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題；
2、電催化氧化法反應(yīng)過程中可以通過改變電流、電壓，隨時(shí)調(diào)節(jié)反應(yīng)條件，可控制性較強(qiáng)；
3、過程中可能產(chǎn)生的_基無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和簡單有機(jī)物，沒有或很少產(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)備相對簡單，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、陽極可同時(shí)起作用如陰極還原金屬離子，陽極氧化有機(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極發(fā)生，它的性能對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)鍵問題之一在于尋找和研制催化活性高、導(dǎo)電性能好的陽極材料。
1.3.2 陽極材料的選擇
在電解工業(yè)中，電極起著重大作用，電極過程是將電能直接轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的過程。電極過程的方向和動(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，費(fèi)用低；(5)對電極反應(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)格上漲的形勢下，開發(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》）