多孔Fe-C@CNTs纳米结构球团的制备及对焦化废水的降解机理研究

Iron-carbon internal electrolysis method is an effective and low cost way for treating wastewater, but it will generate rust connection which leads failure. The main reason is that microelectrode galvanic limit the charge transfer. Aanodic oxidation dissolution and cathodic reduction occurred in the limited space, wraped by metal oxide intercepted the interface adsorption of pollutants and degradation reaction. We intend to build high efficient iron-carbon primary batteries - pourous Fe-C@CNTs nanostructured pellets by direct reduction method. This special structure pellets consist of activated carbon, sponge iron and carbon nanotubes, can effectively solve the problem such as electron transfer, mass transfer and polarization during treating wastewater by iron-carbon internal electrolysis. We will study a variety of factors which affect preparation of pourous Fe-C@CNTs nanostructured pellets in order to optimize the preparation process parameters. We will research the degradation mechanism of coking wastewater by the pourous Fe-C@CNTs nanostructured pellets, to establish intrinsic relationship between the physical structure, electrochemical performance and degradation of pollutants in coking wastewater. The results not only provide an efficient new material for treating wastewater by iron-carbon internal electrolysis method, but also can establish a basis for its indurstry applying.

铁炭内电解法是处理难降解废水的一种低廉而有效的方法，然而在使用过程中会发生锈结而失效。其主要原因是由于微电极电偶对电荷转移的受限，阳极氧化溶解与阴极还原的发生局域于有限空间，造成金属氧化物沉淀包裹，阻隔了界面污染物的吸附与降解反应的进行。我们拟采用直接还原法构筑高效铁炭原电池- - 多孔Fe-C@CNTs纳米结构球团，这种特殊结构的球团由活性炭、海绵铁与碳纳米管组成，能够有效地解决铁炭内电解法处理废水过程中的电子传递、传质和极化等问题。详细研究影响制备多孔Fe-C@CNTs纳米结构球团的各种因素，优化制备工艺参数。深入研究多孔Fe-C@CNTs纳米结构球团对焦化废水的降解机理，建立多孔Fe-C@CNTs纳米结构球团物理结构、电化学性能与焦化废水中污染物降解之间的内在关系。本项目的研究，不仅为铁炭内电解法降解废水提供一种高效新材料，并且为其在焦化废水处理方面的工业应用奠定坚实基础。

铁炭内电解法是处理难降解废水的一种低廉而有效的方法，然而在使用过程中会发生锈结而失效。采用直接还原法以澳矿、煤粉、剑麻为原料，以丙酮和乙醇为碳源、二茂铁为催化剂制备了多孔Fe-C@CNTs纳米结构球团，研究了制备多孔Fe-C@CNTs纳米结构球团的最佳工艺参数及碳纳米管的生长机理，结果表明：以丙酮为碳源、二茂铁为催化剂，和以乙醇为碳源、二茂铁为催化剂均可以制备出含有大量碳纳米管且碳纳米管分布均匀的多孔Fe-C@CNTs纳米结构球团，明确了碳纳米管的生长机理为顶部生长机理。采用IM6ex电化学工作站测定了多孔Fe-C@CNTs纳米结构球团在酚类模拟废水和焦化废水中的电化学腐蚀性能，结果表明：多孔Fe-C@CNTs纳米结构球团的腐蚀电位和腐蚀电流密度是动态变化的，随处理时间的延长，腐蚀电位越来越负，说明球团的还原能力增强，腐蚀电流密度越来越小，说明球团降解废水的速率逐渐减小。研究了多孔Fe-C@CNTs纳米结构球团对酚类模拟废水、含氰模拟废水及焦化废水的降解机理，并分析了多孔Fe-C@CNTs纳米结构球团在处理废水过程中的变化规律，结果表明：多孔Fe-C@CNTs纳米结构球团对废水的处理效果优于海绵铁和铁屑，使废水中复杂的、环状结构有机物变为简单的、链状结构有机物；球团中的铁被氧化成Fe2+、Fe3+进入溶液中，失去的电子快速向外转移传递给污染物，活性炭和海绵铁将废水中的污染物吸附到原电池表面，碳纳米管优异的导电性能降低了界面阻抗，从根本上消除了极化现象；处理废水后的多孔Fe-C@CNTs纳米结构球团中没有发现新物质生成，因此多孔Fe-C@CNTs纳米结构球团降解焦化废水，不是将焦化废水中有机污染物简单的吸附，而是彻底地降解。对处理焦化废水后的多孔Fe-C@CNTs纳米结构球团及废水进行了循环回收利用研究，结果表明：球团是良好的炼铁烧结原料；利用废水中的Fe(OH)2和Fe(OH)3可以制备出高纯度的纳米Fe2O3和多孔铁碳合金。通过项目的研究，为铁炭内电解法降解废水提供了一种高效新材料——多孔Fe-C@CNTs纳米结构球团，解决了铁炭内电解法锈结失效的瓶颈性问题，为其在废水处理方面的工业应用提供了理论支撑。