基于改性碳素电极和包裹型固相催化剂的阴阳极协同氧化体系的构建及其降解典型除草剂研究

Herbicides are a group of refractory organic pollutants with high occurrence in environment. An anode-cathode synergetic oxidation system based on modified carbon-based electrodes and coated solid catalyst is going to be developed in this work. The synergetic system will improve energy efficiency, extend application scope of cathode indirect oxidation and enhance degradation efficiency of herbicides. Modified carbon-based electrodes with good conductivity, large surface area and low costs will be used in the anodic oxidation system to improve the anodic oxidation performance and the anode corrosion resistance. Heterogenous electro-Fenton system, developed by preparing coated solid catalysts and highly efficient composite cathode for electrogenerated hydrogen peroxide, will reduce the loss of the catalysts and extend the application scope of cathode indirect oxidation. The hydroxyl radicals generate by the catalytic action of coated solid particles with hydrogen peroxide electrogenerated on the composite cathode. The anode-cathode synergetic oxidation system will be optimized, the interaction between cathode and anode will be investigated and the synergetic oxidation mechanism of the herbicides during the process will be elucidated. This work will lay the foundation for the application of efficient electrochemical oxidation technology with low energy consumption.

除草剂是一类在环境中广泛存在的难降解有机污染物。项目通过建立基于改性碳素材料为阴阳极、包裹型固相颗粒为催化剂的电化学阴阳极协同氧化体系，解决目前电化学氧化降解有机污染物过程中存在的能源利用率低、阴极间接氧化适用范围窄等问题，实现水中典型除草剂的低耗高效去除。通过对碳素材料进行改性与修饰，建立以导电性好、表面积大、生产成本低的改性碳素材料为阳极的阳极氧化体系，在提高阳极氧化降解效率的同时克服碳素材料作为阳极使用时存在的易腐蚀问题。制备高效电合成过氧化氢阴极材料，制备包裹型固相负载催化剂，构建阴极原位电合成过氧化氢和非均相催化产生羟基自由基相结合的阴极非均相电芬顿间接氧化体系，克服催化剂损耗与失活问题，拓宽阴极间接氧化的适用范围。有效调控阴阳极协同氧化体系，揭示阴阳极在协同作用过程中的相互影响机制及有机杂环类除草剂的协同氧化降解机理，为实现有机污染物低耗高效的电化学氧化工艺的实际应用奠定基础。

电化学氧化技术可有效降解有机污染物，且具有反应条件温和、操作过程简单、易于控制、反应速度快、对环境友好等优点，已成为去除有机污染物常用的方法之一。然而电化学氧化技术还存在着阳极材料电催化氧化能力不高、阴极的过氧化氢产量低、催化剂的稳定性差、能源利用率低等问题。本项目构建了基于阴阳极同步催化氧化有机污染物的电化学协同氧化体系，以碳素为阳极基体材料，对其加以改性修饰，在提高其电催化氧化效率的同时克服腐蚀问题；以经过表面改性修饰的碳素材料为阴极，提高其原位电合成过氧化氢的能力；以所制备的固相负载催化剂为非均相电芬顿催化剂，在催化阴极原位电合成的过氧化氢生成羟基自由基的同时，克服了催化剂的损耗与失活问题，拓宽了阴极间接氧化的适用范围，进而实现了水中有机杂环类除草剂低耗高效的阴阳极协同氧化降解。.通过循环伏安法和过渡金属氧化物修饰的方法制备了具有高催化活性及良好稳定性的改性石墨毡阳极，即电化学改性石墨毡阳极和Co3O4/石墨毡阳极，实现了有机杂环类除草剂的高效电催化氧化降解；以石墨毡为基体材料，通过引入活性官能团以及碳纳米材料修饰的方法制备了具有高效原位电合成过氧化氢的阴极，即多壁碳纳米管-炭黑/石墨毡阴极、多孔石墨毡阴极和水热改性石墨毡阴极, 实现了阴极高效原位电催化合成过氧化氢；制备了聚四氟乙烯-Fe/活性炭催化剂、Cu-Fe/多孔碳催化剂和Mn-Fe/分子筛催化剂，在非均相电芬顿体系中实现了有机杂环类除草剂高效电催化氧化降解。.以Co3O4/石墨毡为阳极，以Mn-Fe/分子筛为催化剂，以水热改性石墨毡为阴极，构建了阴阳极协同体系，利用阴极原位合成的过氧化氢经固相催化剂催化生成的具有强氧化性的自由基以及阳极的氧化作用实现了有机杂环类除草剂的高效降解，在阴阳极面积比为2:1、催化剂投加量为5 g L-1、电流为40 mA、pH为3时，在25 min 内可实现敌草隆的完全去除，阴阳极协同体系的总电能消耗仅为非均相电芬顿体系电能消耗的59.26%。协同氧化体系对敌草隆的降解作用主要来源于催化过氧化氢生成羟基自由基的氧化及敌草隆在阳极直接失电子氧化，敌草隆在阴阳极协同氧化降解过程主要包含5条不同的降解路径，共涉及20种中间产物。项目研究为实现高效低耗的阴阳极协同降解有机杂环类除草剂提供了理论依据。