基于有序介孔碳-金属复合电极的电化学同时脱除盐和难降解有机物研究

研究能同时低成本脱盐和降解低浓度难降解有机物的新方法，对开发工业废水深度处理回用技术具有重要的理论指导意义。本项目通过孔径、孔容、比电容调控方法制备有序介孔碳-金属复合电极，以氯苯和氯化钠混合溶液作为对象，在介孔碳-铁铜复合材料阴极上将高效电催化合成过氧化氢与非均相Fenton反应耦合，组成非均相电-Fenton以实现阴极有机物氧化，在介孔碳-钛复合材料阳极上实现有机物氯氧化和直接氧化，同时与电容性脱盐过程进行耦合，研究了一种能同时高效降解有机物和脱盐的电化学过程。项目拟重点研究过程中阴极过氧化氢、羟基自由基产生原理与强化机制，低电压下阳极有机物氧化机理，电极反应与电吸附脱盐相互影响机理以及协同强化机制等等，从而强化有机物降解和脱盐。通过本项目研究，可能提供一种同时低成本矿化有机物和脱盐的方法，对开发含有毒难降解有机物和盐类的废水回用技术提供基础支撑。

废水中的盐类和低浓度难降解有机物的存在制约废水的深度处理回用。目前脱盐技术只能截留有机物而不是降解，高级氧化技术无法实现脱盐。本项目将有序介孔碳材料（OMC）分别用于电吸附除盐（CDI）和非均相Fenton降解有机物，首次将CDI和电化学高级氧化技术耦合，研究了一种低成本同步除盐和矿化难降解有机物的新方法。主要研究内容和结果如下：.（1）以软模板法合成了OMC，并通过工艺参数调控其孔径、孔径分布和比表面积等参数，并深入研究了各参数的影响机制，优化制备了高比表面积的OMC。.（2）研究了OMC电催化还原氧气产过氧化氢和OMC负载金属催化剂用于非均相Fenton反应降解对氯苯酚的效果。OMC比活性炭具有更好的电催化活性；介孔比微孔更有利于Fe氧化物的分散；使用OMC负载Fe催化剂反应270 min，对氯苯酚去除率可达96%，总有机碳（TOC）去除率47%，催化剂可重复利用；对氯苯酚降解是羟基自由基氧化为主。.（3）对比研究了OMC、活性碳（AC）和中空活性碳纤维（ACHF）的电吸附行为。OMC的电吸附最高，达10.1 mg/g，电吸附速率和脱附速率最快，脱盐稳定性最好。这是因为介孔能快速传输离子，孔道氧化不易崩塌堵塞。研究了除盐工作条件和OMC材料性能对CDI的影响，其中电压和流速过高或者过低都不利于除盐，电极片厚度薄有利于除盐。表面基团对初期电吸附除盐影响较大，但对长期稳定性影响不明显。.（4）研究了倒极、膜电容性脱盐（MCDI）等提高电极稳定性的方法及内在稳定机制。结果表明：倒极能有效缓解阳极氧化，能适当延长使用寿命，但是仍不能避免电极氧化；MCDI装置的除盐量可达25 mg/g，是CDI的2.5−3倍，电流效率甚至高于100%，循环50次除盐量几乎没有衰减。MCDI中膜将电极和溶液分开，防止电化学反应的发生，电极不容易被氧化，零电荷电位EPZC较为稳定，故脱盐性能稳定。.（5）在以上研究基础上研究了一种同步除盐和矿化难降解有机物的电化学新方法，深入研究了盐和苯酚的去除机理以及电极的重复利用性能。反应300 min除盐量达到40 mg/g，苯酚去除率为91%，TOC去除率为65%。每度电可去除0.011 kg TOC和0.24 kg NaCl。苯酚的去除机理归结为电极物理吸附、电化学直接氧化和间接氧化，而盐去除主要是电吸附作用。通过倒极方式有利于电极重复利用。