碳纳米管修饰载钯催化电极的制备及氯酚类污染物的电化学还原脱氯-无机化降解

Chlorinated organic compounds are the pollutants with high toxicity, persistence and bioaccumulation. So far there are no mature degradation approaches. In this project, to achieve highly effective, nontoxic and harmless mineralized degradation of chlorophenols, dechlorination will be studied with environmental friendly electrochemical reduction process, and the subsequent degradation after dechlorination will also be investigated. To solve the problems exist in the present research of electrochemically reductive dechlorination, such as organic solvent usage, long reaction time, low dechlorination efficiency and low current efficiency, and to realize the dechlorination reaction in the complete aqueous medium with high dechlorination efficiency and high current efficiency, palladium-loaded electrode with high electrocatalytic activity and stability modified by carbon nanotubes-polypyrrole-surfactant composite coatings will be prepared with meshed Ti as cathode substrate. The interaction of carbon nanotubes, polypyrrole and surfactant, the interaction of composite coating and palladium particles, and their roles in the electrocatalytic activity, will be studied. The electrocatalytically reductive dechlorination process will be optimized and the dechlorination mechanism will be discussed. The subsequent biological treatment process after dechlorination will also be conducted to achieve the mineralized degradation of chlorophenols. The research will provide the theoretical basis for the nontoxic and harmless degradation of chlorinated organic compounds.

氯代有机物是一类具有高毒性、持久性和生物蓄积性的有机污染物质，目前还没有成熟的方法加以解决。项目采用环境友好的电化学还原技术，对氯酚类氯代有机物进行还原脱氯研究，并对脱氯后的后续降解开展研究，以实现高效、无毒无害化的氯酚类污染物的无机化降解。为解决目前电化学还原脱氯研究中存在的使用有机溶剂、反应时间长、脱氯效率低、电流效率低等问题，使脱氯反应能在完全水溶液介质中实现，并具有较高的脱氯效率和电流效率，项目拟以多孔钛网为基体材料，研究制备电催化活性高、性能稳定的基于碳纳米管-聚吡咯-表面活性剂多元修饰的载钯复合膜催化电极，表征分析碳纳米管、聚吡咯、表面活性剂之间及复合膜与金属催化剂钯颗粒之间的相互作用及其与电催化活性的关系。优化电催化还原脱氯工艺，探讨脱氯路径及脱氯机理。优化脱氯后的后续生物处理工艺，以实现氯酚类污染物的无机化降解。项目研究将为实现氯代有机污染物的无毒无害化降解提供理论依据。

氯酚类污染物具有高毒性和生物难降解性，其直接氧化降解或生物处理存在着产生二次污染或降解效率低等问题，项目采用间接法开展了氯酚类污染物的电催化还原脱氯-无机化降解研究。. 制备了电催化活性高、性能稳定的碳纳米管-聚吡咯-表面活性剂修饰的新型载Pd催化电极，包括Pd/CNTs/Ti、Pd/PPy-CNTs/Ti、PdELD/CNTs-PPy-SLS/Ti、PdPED/CNTs-PPy-SDBS/Ti和Pd/CNTs-Nafion/Ti电极，研究发现CNTs的加入可使Pd颗粒均匀分散在电极表面，提高电极催化性能。PPy和Nafion的引入可提高CNTs的负载分散性和稳定性。 . 研究了氯酚类污染物的电催化还原脱氯过程，实现了2,4-DCP、2,3-DCP、2,4,6-TCP、PCP等目标污染物的电化学完全去除。当初始pH值为2.77、脱氯电流为3mA、Na2SO4 浓度为0.08mol/L时，90min 内2,4-DCP 在Pd/PPy-CNTs/Ti电极上的去除率可达100%，电流效率为42.5%。当初始pH值为2.5、脱氯电流为5 mA、70 min时，2,3-DCP在PdPED/CNTs-PPy-SDBS/Ti电极上的去除率可达到100%，电流效率为33.27%，水中常见的阴阳离子（NO3-、CO32-、HCO3-、K+、Ca2+、Mg2+）对脱氯过程没有影响。脱氯电流为6mA、初始pH 值为2.30时，80 min内2,4,6-TCP在Pd/CNTs-Nafion/Ti电极上的去除率可达100%，电流效率为26.73%。当电流为5mA、初始pH值为2.23时，90 min内PCP在Pd/PPy-CNTs/Ti电极上的去除率为100%。. 建立了电催化氢解-SBR工艺，对氯酚电催化还原脱氯产物进行后续生物降解，实现了完全矿化。. 探讨了氯酚脱氯反应动力学与路径，揭示了氯酚电催化还原脱氯的作用机制。氯酚的电催化还原过程符合准一级反应动力学，单氯酚直接脱除氯原子生成苯酚；由于不同位置氯原子取代基脱氯的难易程度受空间位阻和分子内氢键因素的影响，不同位置氯取代的二氯酚、三氯酚降解过程中间产物有所不同，最终产物均以苯酚为主。. 项目研究实现了氯酚的高效无害化降解，为实现实际含氯酚废水的无毒无害化处理奠定了基础。