三維電極電催化氧化氨氮廢水的研究

1、三維電極電催化氧化氨氮廢水的研究 報告人：魏旺 學(xué)號：119044294 班級：環(huán)112 指導(dǎo)教師：劉寶河目錄1、三維電極的介紹2、三維電極去除氨氮的機(jī)理3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與意義5、三維電極電解實(shí)驗(yàn)的研究4、三維電極的設(shè)計和制作6、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與展望三維電極的介紹三維電極是在二維電極的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的電極反應(yīng)器。在二維電極中填充金屬導(dǎo)體，石英砂，活性炭，以及玻璃球或者塑料球等材料，從而構(gòu)成其主體。與傳統(tǒng)二維電極相比，三維電極的面體比增大，粒子間距減小，單位電解槽的電極表面積以及物質(zhì)傳質(zhì)速度增加，單位槽體的處理量增大，能夠有效提高低電導(dǎo)率溶液的電解效率。三維電極去除氨氮的機(jī)理1.三維電極的電化學(xué)

2、氧化作用三維電極電化學(xué)氧化作用分為直接電化學(xué)氧化和間接電化學(xué)氧化作用。直接電化學(xué)氧化系指污染物通過電流引起電子轉(zhuǎn)移，在電極上直接氧化的作用。間接的電化學(xué)氧化系指電極首先電解產(chǎn)生中間氧化劑（HClO ，H2O2等)或者催化劑（Fe2+等），再氧化污染物的作用。2.三維電極中氨氮去除原理 在三維電極中，氨氮的去除主要是靠電極產(chǎn)生的強(qiáng)氧化劑HClO,H2O2,OH等氧化去除。其產(chǎn)生反應(yīng)如下：陽極：Cle= Cl2 Cl2 + H2O = HOCl+ H+Cl OHe= OH陰極： 酸性條件：O2+2H+2e= H2O2 堿性條件：O2+H2O+2e = HO2+OH HO2+H2O = H2O2+O

3、H實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與意義1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 本次實(shí)驗(yàn)的課題為三維電極電催化氧化高濃度氨氮廢水的研究，主要工作分成兩個部分：1）、進(jìn)行三維電極電催化氧化裝置的研制；2）、進(jìn)行研制設(shè)備處理高濃度氨氮廢水的研究。2.實(shí)驗(yàn)意義 本次研究性實(shí)驗(yàn)主要是為了探究三維電極電解過程的機(jī)理，通過控制變量法研究電解過程中的控制因素，在處理氨氮廢水的過程中初步探究三維電極的影響因素，不斷優(yōu)化電解條件，提高氨氮的去除率，提高三維電極的工作效率。這對三維電極應(yīng)用到實(shí)際生活中提供了理論依據(jù)和研制的可能性，對污水處理，環(huán)境保護(hù)都有極大的意義。三維電極的設(shè)計和制作1.極板的選擇2.粒子電極的選擇3.三維電極的制作極板的選擇陽極材料要求：1.

4、良好的導(dǎo)電性；2.高的催化活性；3.高的析氧、析氯過電位；4.良好的化學(xué)穩(wěn)定性及機(jī)械穩(wěn)定性。陰極材料的要求：1.較高的析氫過電位；2.價格便宜易獲取。 目前已使用過的陽極電極主要有石墨電極，二氧化鉛電極，鉑電極和DSA(形穩(wěn)性陽電極），其中DSA電極的催化性和穩(wěn)定性較其他電極而言，具有更好的優(yōu)勢，故在三維電極的應(yīng)用中，DSA電極成為較好的選擇該電極基體為鈦，表面涂敷金屬氧化物。陰極一般選取金屬鈦，鐵等作為陰極材料。粒子電極的選擇1.粒子電極的介紹和要求 粒子電極的目的主要是提高電解效率，一方面作為絕緣物質(zhì)，避免產(chǎn)生短路電流；一方面每個粒子可以構(gòu)成一個電極，從而增加電解效率。因此粒子包括導(dǎo)電粒子

5、和絕緣粒子。 導(dǎo)電粒子一般有活性炭、石墨、活性氧化鋁、金屬導(dǎo)體以及鍍有金屬的玻璃珠等，絕緣粒子一般有玻璃珠等。 活性炭是一種外觀呈黑色，具有良好的吸附性能，化學(xué)性能穩(wěn)定，可耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿，能經(jīng)受水浸，高溫的物質(zhì)。 相比于其他粒子電極如石墨、金屬導(dǎo)體等，活性炭對水中有機(jī)物有優(yōu)越的吸附特性，由于其具有發(fā)達(dá)的細(xì)孔結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，因此對水中溶解的有機(jī)污染物具有較強(qiáng)的吸附能力。另外活性炭對水質(zhì)、水溫及水量的變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，吸附飽和的活性炭可經(jīng)再生后重復(fù)使用。因此在本次實(shí)驗(yàn)中，采用3mm活性炭作為粒子電極。2.粒子電極活性炭的選擇和優(yōu)勢三維電極的制作本實(shí)驗(yàn)制作的三維電極反應(yīng)器過程： 首先稱取兩份等

6、量活性炭/玻璃珠混合物，分別放入1000 mL燒杯中。將陽極和陰極電極板插入活性炭/玻璃珠混合介質(zhì)中固定，形成三維電極原型；再利用導(dǎo)線將反應(yīng)器與雙路直流穩(wěn)壓電源相連，即可構(gòu)成可運(yùn)作的三維電極反應(yīng)器。三維電極電解實(shí)驗(yàn)的研究1.二維和三維電極的影響2.導(dǎo)電介質(zhì)濃度的影響3.電解電壓的影響4.曝氣的影響5.氯化鈉（NaCl）的影響6.氨氮初始濃度的影響二維和三維電極的影響 從右圖可知，在未加導(dǎo)電介質(zhì)的情況下，與二維電極相比，三維電極的電解作用更強(qiáng)，對氨氮的去除率更高，效果更好，二維電極的去除率最高達(dá)到15.7%，而三維電極對氨氮的去除率可達(dá)到22.6%。尤其在前六十分鐘，三維電極的電解速率快，對氨氮

7、的去除效果顯著。 其原因可能是：第一在電解過程中，三維電極中的活性炭物質(zhì)能夠產(chǎn)生更多的微小氣泡，從而加快溶液的傳質(zhì)速度，加快反應(yīng)速率；其次活性炭作為粒子電極能夠吸附氨氮，促進(jìn)反應(yīng)速度的加快，另外活性炭也具有催化作用，這些因素都有助于提高電解效率，加快氨氮降解速率。導(dǎo)電介質(zhì)濃度的影響 由右圖可知，隨著電解質(zhì)濃度的提高，氨氮的去除率逐漸升高，在濃度為0.15 mol/L 時，去除率可達(dá)到53.9%。但是當(dāng)導(dǎo)電介質(zhì)Na2SO4的濃度超過0.15 mol/L后，氨氮的去除率明顯降低。 其原因可能是導(dǎo)電介質(zhì)擴(kuò)散-遷移機(jī)理導(dǎo)致，即當(dāng)Na2SO4的濃度較低甚至為零時，溶液的離子濃度也較低，通過溶液中的電流較

8、小，因此導(dǎo)致反應(yīng)難發(fā)生，電解速率緩慢。當(dāng)Na2SO4的濃度增大，離子濃度升高，通過溶液的電流也增大，從而加快電解速率，氨氮的去除率也逐漸增加電解電壓的影響 由右圖可知，隨著電壓的增大，氨氮的去除率逐漸升高。 其原因可能是隨著電壓的增大，反應(yīng)的電流也逐漸增大，產(chǎn)生活性氧化物羥基自由基的濃度也增大，從而增大了氨氮的去除率。曝氣的影響 由圖可知，電解過程中，曝氣可以增加氨氮的去除率。 其原因可能是：一，曝氣增加了溶液中的含氧量，氧氣含量的增加，有助于陰極產(chǎn)生較多的活性氧化物如羥基自由基，提高氨氮的去除效果。二，曝氣過程相當(dāng)于攪拌過程，提高了溶液的湍流程度和混合均勻程度，能夠提高物質(zhì)的傳質(zhì)速率，使氨氮

9、更多地被電解，從而提高了氨氮的去除效果。氯化鈉（NaCl）的影響 由右圖可知，隨著NaCl濃度的增加，氨氮的去除率逐漸增加，氨氮去除率分別達(dá)到59.8%，70.7%，81.1%和84.2%。 這是因?yàn)樵谌S電極中，電極表面的催化作用以及自由電場產(chǎn)生的自由基是氧化氨氮的主要因素。添加NaCl后，Cl-在陽極上被氧化成為游離氯，然后溶解于水溶液中形成活性氯，作為強(qiáng)氧化劑將氨氮氧化為N2，使氨氮得以去除。氨氮初始濃度的影響 由右圖可知，在相同條件下，氨氮濃度越低，氨氮去除率越高，對于50 mg/L和100 mg/L的溶液，氨氮去除率甚至可以達(dá)到100%。隨著氨氮濃度的逐漸升高，去除效果逐漸降低。 這

10、可能是因?yàn)榘钡跏紳舛冗^高時，溶液中氨氮含量較高，而在電解一開始的情況下，其他條件保持相同，電解產(chǎn)生的活性物質(zhì)含量相等，對低濃度的氨氮溶液去除率高，但不表示去除量一定高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與展望本次實(shí)驗(yàn)為自主設(shè)計和制作三維電極反應(yīng)器，并對高濃度氨氮廢水進(jìn)行電解研究。通過為期一個多月的實(shí)驗(yàn)，結(jié)論如下：（1）在對比二維和三維電極電化學(xué)氧化過程中，由于三維電極避免急增大，增加了傳質(zhì)效率，故電解效果明顯，其中三維電極對氨氮的去除率達(dá)到22.6%，二維電極對安達(dá)你的去除率達(dá)到15.7%。（2）考察三維電極中各因素對氨氮去除效率的影響，結(jié)果表明：對于300 mg/L高濃度氨氮溶液，其電解最優(yōu)條件為：電解電壓20 V，Na2SO4濃度0.15 mol/L，NaCl濃度為2.0 g/L，其去除率可達(dá)到84.2%。就本次實(shí)驗(yàn)而言，可以從以下幾個方面改善：（1）改進(jìn)和優(yōu)化三維電極反應(yīng)器裝置，尤其是極板結(jié)構(gòu)和填料填充方式，以提高電解效果，降低能耗，實(shí)現(xiàn)三維電極的工業(yè)化應(yīng)用。（2）