基于改性气体扩散电极的光电芬顿氧化法降解水中苯酚的机理研究

本研究采用纳米炭材料（碳纳米管、炭黑）与2-乙基蒽醌（EAQ）共混的方法，制备出对氧气还原反应具有2电子催化的高活性复合催化剂，然后将该催化剂、疏水性炭黑和PTFE（Nafion）溶液混合制成适用于降解含苯酚废水的气体扩散电极，并且结合光电芬顿氧化法对苯酚降解的机制进行深入研究。通过研究蒽醌改性气体扩散电极的催化活性和自氧化活性，系统研究电极对H2O2电催化还原的动力学过程及控制因素。通过对催化剂用量、电解电流密度、紫外光强度和波长等影响因素研究，系统考察紫外光致Fe3+还原反应、电催化氧还原以及芬顿反应三者对苯酚降解过程的影响，重点研究以上三者之间的协同增强降解效应，并以此提高光电芬顿体系的酸碱适应性。预期在完成上述研究目标与计划的基础上，拓宽此体系降解有机小分子有机物的研究范围，掌握芳香族有机物的降解规律，并初步探索其在真实的复杂有机废液中的应用。

本研究将二乙基蒽醌改性气体扩散电极用于光电芬顿体系中降解苯酚废水。采用纳米碳材料（碳纳米管、碳黑）与二乙基蒽醌（EAQ）共混的方法制备出催化剂，通过电化学循环伏安研究，证实了其具有自氧化还原性和对氧气2电子还原的高的催化活性，生成芬顿反应所必需的过氧化氢(H2O2)；然后将该催化剂、疏水性碳黑和PTFE溶液混合制成不同二乙基蒽醌含量的改性气体扩散电极，通过自动电位滴定法和电芬顿氧化法，确定了能够维持电极生成足够量过氧化氢的二乙基蒽醌量在20%左右，即20%二乙基蒽醌改性镍网基底气体扩散电极性能最佳。通过对制备好的改性气体扩散电极进行电化学循环伏安、接触角、电阻率及电镜测试，可以看出改性气体扩散电极导电性能较好，表面状态良好，比C/PTFE电极具有更高的催化氧还原性能。通过自制的光电芬顿反应装置，系统研究了电流密度、溶液pH值、亚铁离子浓度、氧气压力、支持电解质以及紫外光强对降解效率的影响，当电流密度为30mA/cm2，溶液pH在4左右，亚铁离子浓度为2mg/L, 出口氧气压力为1.5Pa时，30min内苯酚废水降解完全；紫外光对苯酚降解效率有显著地促进作用。.在研究基于二乙基蒽醌改性气体扩散电极的光电芬顿法降解苯酚作用机理过程中，通过高效液相色谱法(HPLC)分析各中间产物的变化规律，并根据亲电加成的规律，分析苯酚降解的作用机理如下：由改性气体扩散电极光电芬顿反应产生的羟基自由基（•OH）首先进攻苯酚的邻位和对位，生成邻苯二酚和对苯二酚，继续氧化生成苯醌。若羟基自由基(•OH)连续进攻苯环的同一位置或多个羟基自由基（•OH）同时进攻苯环，结构稳定的苯环就会被打开，依次生成顺丁烯二酸、反丁烯二酸、丙烯酸、丙二酸、草酸、乙酸和甲酸，直至完全矿化成二氧化碳和水。在完成上述研究的基础上，拓展此体系降解有机小分子有机物的研究范围，通过其对甲酚、甲基红以及含酚混合有机废水（苯酚、甲酚、硝基酚）的处理，同样具有较高的降解效率，对处理难降解有机物质无选择性。因此，对改性气体扩散电极的光电芬顿法推广应用提供了较好的参考价值。