学士学位论文：改性 PbO2电极催化氧化偶氮染料橙黄Ⅱ机理研究

学士学位论文

题目：改性 PbO2电极催化氧化偶氮染料橙黄Ⅱ机理研究

院（系） 材料学院
专 业 应用化学
届 别 2012届
学 号 0814131042
姓 名 张秋东
指导老师 杨卫华 副教授


华侨大学教务处印制
2012年6月



摘 要

橙黄II属于一种强酸性单偶氮染料，其水溶性良好，主要作为皮革、化工等工业用品的染色剂。具有很强的致癌性，对人体危害相当大，且易扩散、难降解。目前降解染料废水有多种技术，电催化氧化技术由于操作简便，降解效率高，与环境兼容等优点引起研究者的极大兴趣。本文以稀有金属Er改性PbO2电极研究电催化降解去除橙黄II的工艺条件，探讨了电流密度，酸碱度和橙黄II初始浓度对去除效果的影响规律。
本文又进一步研究了橙黄II染料废水被处理前后的红外光谱，反应液在不同反应时间的紫外光谱以及橙黄II降解的化学反应动力学过程。橙黄II最终被降解成CO2和H2O，电催化降解橙黄II反应符合准一级反应动力学规律。

关键词：橙黄II；电催化氧化；改性PbO2电极；动力学过程












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对橙黄II电催化降解的影响 18
3.4.3 电催化氧化表观动力学研究 18
3.4.4 羟基_基的检测 20
3.4.5 橙黄II电催化降解前后的红外吸收光谱 23
结论 24
参考文献 25
致 谢 27


第一章 绪论
1.1 引言
水资源短缺是目前整个世界都要面临和解决的问题，在我国更是如此。我国水资源相对比较贫乏，且地区分布不均，各个方面造成的水污染现象也在增多。据统计，我国由于水质污染严重而不能用于灌溉的河段占23％，45％的河段鱼虾绝迹。在人类大量提倡提高生活质量的今天，控制和解决水污染问题已成为人们刻不容缓要解决的一个方向。随着纺织工业的迅速发展，染料的品种和数量日益增加。染料在给人们带来绚丽多彩和经济效益的同时，也产生了大量的“三废”。据统计，在染料生产过程中，每生产1 吨染料，约2％的产品随废水流失，而在印染过程中损失量更大，为所用染料的10％左右[1]。染料和印染工业要排放大量的废水，约占工业废水总排放量的1/10，已成为水系环境的重点污染源之一。仅2000年我国染料废水排放量就高达14 亿吨左右，且治理率不到34％，治理合格率仅为58.3％。印染废水其水质复杂，有机含量高，有毒性，生化性差，COD 高，BOD/COD 低，而且色度高[2]，如果不经处理直接排放，不但会造成严重的环境污染，而且会通过饮水和食物链的传递威胁到人体健康。为此，研究和探寻有效治理印染废水的方法和工艺，对于保护水环境，促迸经济、社会和环境的可持续发展，具有非常重要的现实意义。
印染行业是工业废水的排放大户，同时这些废水中的苯系、萘系、蒽醌系以及苯胺、硝基苯、酚类偶氮染料等有机物质具有生物积累性，三致性，毒性，危害极大[3]。因此对印染行业废水的有效处理已引起相关部门的高度重视。印染废水具有如下特点[4]：(1)色度大、有机物含量高。印染废水总体上属于有机废水，其中所含的颜料及污染物主要由天然有机物质及人工合成有机物质所构成。(2)水质变化大。印染废水是印染企业生产过程中排放的各种废水混合后的总称。因此，COD 高时可达 2000-3000 mg•L-1，且 BOD、COD 之比小于0.2，可生化性差。(3) pH变化大。由于不同纤维织物在印染加工中所使用的工艺不同，在染色或印花中需要在不同条件下进行染色，因此不同纤维织物在印染加工中所排放废水的pH值是不同的。(4)水温水量变化大。由于加工品种、产量的变化，导致水温水量的不稳定。正是由于印染废水的这些特点，导致印染废水极难处理，已成为废水处理领域的重点和难点。
目前，一些物理、化学和生物处理技术应用于工业废水处理，但是对于石化、电子、制药、农药和印染等行业产生的有毒_废水的处理仍缺少经济而有效的实用技术[5]。由于造成水体污染的主要污染物质是有机物，对于有机物的处理一般采用生物法。但对于某些含有多环芳烃类化合物、硝基化合物、有机氯化合物等有毒_的“三致”(致癌、致畸、致突变)物质的废水，采用常规的生物化学处理方法很难处理此类废水。随着生物难降解有机污染物或生物毒性污染物的日益增多，传统的生物处理技术也面临极大的挑战。色度的去除是印染行业废水处理的一大难题，传统水处理工艺中采用的吸附、絮凝、气浮及生物氧化法，往往不能达到预期的去除效果[6-9]。近年来，电化学处理法引起了重视，电催化氧化法是近年发展起来的一种处理染料废水技术，由于具有处理效率高、操作简便、应用灵活、易于自动化、环境友好等优点，因而在染料及印染废水处理的研究中受到广泛的关注。
1.2 电化学高级氧化技术
全球范围内工业的迅速发展虽然带动了经济的快速增长，但也导致了水污染问题日益重。由于工业废水中污染物成分复杂，变化较大，含有大量难以降解的有机物，因此工业废水的处理成为国内外污水处理领域的一大难题。近年来，电化学高级氧化技术用于处理有机废水的研究不断增加，原因是电化学法处理难降解的有机物具有很好的效果，它可以使难生化降解的有机物转化为可生化降解的有机物，或使难生化降解的有机物发生电化学燃烧生成CO2和H2O。与其它水处理方法相比，电化学水处理技术的优点在于[10]：(1)不需要另外添加氧化还原剂，电解产生的(•OH)_基无选择地直接与废水中的有机污染物反应，将其降解为二氧化碳、水和简单有机物，没有或很少产生二次污染；(2)能量效率高，电化学过程一般在常温常压下就可以进行；(3)既可以单独处理，又可以与其它处理方法相结合；(4)电解设备及其操作一般比较简单，如果设计合理，费用并不昂贵；(5)作为一种清洁工艺，其设备占地空间小。
1.3 电催化氧化法
1.3.1 概述
电催化氧化法是近年来逐渐发展起来的一种在生物难降解废水处理中颇有发展前景的方法，是一种高级的电化学氧化工艺。电催化氧化过程是利用有电催化性能的阳极催化有机污染物在阳极上发生直接电化学氧化反应，使得有机污染物被直接氧化降解；或通过阳极催化在线产生具有强氧化性的羟基_基(•OH)、臭氧、活性氯等氧化剂，这些活性物种间接氧化降解有机物。所以，用电化学氧化的方法可以使难降解有机物发生电化学转化，使有机物转化成无毒害作用的中间产物再与生物处理相结合进一步进行降解，或直接使有机污染物彻底转化为二氧化碳和水等无机小分子物质，从而消除其对环境的污染。由于其不易产生有毒害的中问产物，因此更加符合环境保护和绿色化学的要求。
电催化氧化法主要有如下优点[11]：
1、电子是电催化氧化法反应的主要反应物，且电子转移只在电极及废水组分间进行，在氧化过程中不需另外添加氧化还原剂，避免了由另外添加药剂而引起的二次污染问题；
2、电催化氧化法反应过程中可以通过改变电流、电压，随时调节反应条件，可控制性较强；
3、过程中可能产生的_基无选择地直接与废水中的有机污染物反应，将其降解为CO2 、H2O和简单有机物，没有或很少产生二次污染；
4、能量效率高，反应条件温和，可以在常温常压下进行；
5、作为一种清洁工艺，其设备占地面积小，特别适合于人口拥挤的城市中污水的处理，在绿色工艺方面极具潜力；
6、反应器设备相对简单，操作与维护费用低；
7、具有多功能性，可同时去除多种污染物质，产生的气体还可起到气浮作用。当废水中含有会属离子时，阴、阳极可同时起作用如阴极还原金属离子，阳极氧化有机物，以使处理效率尽可能提高，同时回收再利用有价值的化学品或会属；
8、可以作为单独处理，又可以与其他处理方法相结合，可以将难降解有机物或生物毒性污染物转化为可生物降解物质，提高废水的可生物降解性。
因此，电催化氧化水处理技术被称为“环境友好”技术，在绿色工艺方面极具潜力，可望得到广泛应用[12]。电极材料是电催化氧化技术的主要载体，有机物的降解一般多在阳极发生，它的性能对于电催化氧化效率具有决定性的影响。因此探索和制备综合性能好的阳极材料是目前电催化氧化工艺的研究重点。电催化氧化技术目前电催化氧化技术应用的关键问题之一在于寻找和研制催化活性高、导电性能好的阳极材料。
1.3.2 阳极材料的选择
在电解工业中，电极起着重大作用，电极过程是将电能直接转化成化学能的过程。电极过程的方向和动力学，电极和电解槽的结构形式与电解槽寿命，维修费和劳动力消耗以及工艺过程的动力学指标等等都在很大程度上取决于电极材料的性能，特别是在电解槽的结构设计时，电极的耐用性，导电性，催化活性和电能的消耗都有着密切的关系。因此，电极材料的选择极为重要。一般情况下作为电极材料必需满足下面基本要求：(1)具有良好的导电性；(2)耐腐蚀性强；(3)机械强度和加工性能好；(4)寿命长，费用低；(5)对电极反应具有良好的电催化性能。
因此，在当今世界能源紧张、原材料价格上涨的形势下，开发研究新型、高效、稳定的电极材料具有十分重要的意义。目前，实际应用中的阳极材料有非金属电极、碳素电极、金属化合物电极和金属氧化物电极等。非金属化合物电极具有特殊的物理性质，但其理论研究尚处于起步阶段，对其的应用报道不多，距实际应用时日尚 ……（未完，全文共24243字，当前仅显示4360字，请阅读下面提示信息。收藏《学士学位论文：改性 PbO2电极催化氧化偶氮染料橙黄Ⅱ机理研究》）