微孔钛基嵌入二氧化铅管式膜电极降解含氮杂环物质机理研究

Nitrogenous heterocyclic compounds(NHCs) are categorized as one of the most toxic and recalcitrant environmental containments discharged by fine chemicals such as pharmaceuticals, pesticides and dyes. In order to modify the structure and materials, enhance the catalytic performance, strengthen the stabilization of embedded micropores on the Ti-PbO2 tubular electrode, the methods of titanium powders metallurgy, anodic oxidation and electro-deposition are adopted. This application is based on the previous studies about the effect of substrate and membrane synthesis on the electrode stabilization and catalytic performance. The analysis process of NHCs electrochemical degradation combines the quantum chemical calculation and HPLC-MS to identify the intermediate products, study the electro transfer and reveal living radical`s influence on the degradation process of NHCs. Aims to wastewater characteristics of chemical industrials, a new technique of chemical wastewater advanced treatment by the design optimization of electrochemical reactor was developed. The result of this study about the NHCs` electrochemical degradation and toxicity reduction has very important theoretical and engineering values.

氮杂环物质（NHCs）是医药、农药、染料等精细化工排放广泛存在的难降解有毒有害有机物，威胁人体健康和生态安全。本申请是在前期的研究基础上，拟采用钛粉压制烧结、阳极氧化和电沉积，进行结构改型和材料复合改性、制备高催化、高稳定性微孔钛基嵌入PbO2管式膜电极材料，考察复合膜电极合成参数对电极稳定性和催化性能的影响。建立不同运行参数对NHCs电化学动力学方程，论证分析有效解决“扩散控制”瓶颈的方法；通过量子化学理论计算和液相色谱质谱联用分析，鉴别电化学氧化中间产物及主要影响因素，深入开展电化学氧化反应中直接电子转移和自由活性基对NHCs降解过程的作用机制，及电极改性对NHCs降解效率贡献的研究，揭示改性电极电化学氧化NHCs的反应机理；针对化工尾水特性，开展电化学反应装置优化设计和影响因素研究，开发一项高效的化工尾水毒性深度削减技术。研究结果对NHCs毒性深度削减具有极其重要的理论与实际意义。

氮杂环物质（NHCs）是医药、农药、染料等精细化工排放广泛存在的难降解有毒有害有机物，威胁人体健康和生态安全。本项目在前期的研究基础上，采用钛粉压制烧结、阳极氧化和电沉积，进行结构改型和材料复合改性、制备高催化、高稳定性微孔钛基嵌入PbO2管式膜电极材料，考察复合膜电极合成参数对电极稳定性和催化性能的影响。建立不同运行参数对NHCs电化学动力学方程，论证分析有效解决“扩散控制”瓶颈的方法；通过量子化学理论计算和液相色谱质谱联用分析，鉴别电化学氧化中间产物及主要影响因素，深入开展电化学氧化反应中直接电子转移和自由活性基对NHCs降解过程的作用机制，及电极改性对NHCs降解效率贡献的研究，揭示改性电极电化学氧化NHCs的反应机理；针对化工尾水特性，开展电化学反应装置优化设计和影响因素研究，开发出了一项高效的化工尾水毒性深度削减技术。采用电化学沉积结合硬模板剂法，在微孔钛基体上制备出具有200-500nm和1μm三维有序大孔结构的PbO2膜电极，且大孔之间均以100nm左右的空洞贯通连接，不仅可以提高电化学反应的活性面积，并且显著增加了电化学过滤过程的液体通量。针对常规参数对电化学氧化NHCs的影响，开展了对流动速度、污染物初始浓度和电流密度三个操作参数对NHCs去除的研究，电流密度越高，电化学氧化NHCs速率越快。通过量子化学理论计算值（阳极直接电子转移及羟基自由基攻击NHCs不同点位）比较分析，得出结论吡咯、吡唑和四氮唑三种含氮杂环物质在电极体系下均有较好的降解去除效率，其中吡咯最容易被降解，四氮唑最难被降解。为突破NHCs电化学处理成本高的瓶颈问题，研究设计一种新型三维有序大孔PbO2过滤电极的NHCs去除率相较传统的平板电极提高了2.8倍，相应的能源消耗降低了2.7倍，TOC去除率和矿化电流效率分别提高了4.9倍和4.8倍。制造了一种新型的以错流过滤模式运行的反应性电化学膜（3DEM- PbO2）,实际废水的电催化实验证明了3DEM-PbO2 REM在尾水深度处理应用中的巨大前景。