基于氧化铁纳米酶三维电极的电催化氧化脱色方法及机理研究

Decolorization technology is the bottleneck of high quality chemical recycling of waste textiles. The existing decolorization technology needs to add a large number of reagents, which is easy to cause secondary pollution and incomplete decolorization process, affect the purity and quality of products. In order to overcome these problems, carbon nanotubes doped Fe3O4 nanozyme particles (CNTs/Fe3O4 nanozyme) and hollow nanofibers structure Fe2O3 nanozyme (α-Fe2O3 and γ-Fe2O3 nanozyme) are prepared as high catalytic activity and high catalytic selectivity three-dimensional electrodes to establish a new electro-catalytic oxidation decolorization method for efficiently and accurately decolorizing dyes in polyester. Reveal the mechanism and regularity of the effect of the iron oxide nanozyme’s catalytic activity on its composition, size and morphology. Establish the electro-adsorption kinetics and anodic oxidation kinetics models, reveal the competitive relationship between dye molecules and polyester alcoholysis products in electro-catalytic oxidation reaction. Clarify the mechanism of electro-catalytic oxidation reaction in the complex system of polyester alcoholysis solution. Optimize the reaction conditions of electro-catalytic oxidation decolorization. Provide theoretical and experimental basis for developing efficient and fast decolorization technology of waste polyester textiles.

脱色技术是目前制约废弃纺织品高品质化学回收再利用的瓶颈。为攻克现有脱色技术需添加大量试剂，易造成二次污染，脱色不完全，影响产物纯度和品质的难题，本课题拟制备高催化活性、高催化选择性的粒子结构的碳纳米管掺杂Fe3O4纳米酶（CNTs/ Fe3O4 nanozyme）和中空纳米纤维结构的Fe2O3纳米酶（α-Fe2O3及γ-Fe2O3 nanozyme）作为三维电极，建立一种新型的电催化氧化脱色方法。以广受关注的聚酯为例，实现染料的高效、精准脱色。揭示氧化铁纳米酶的成分、尺寸及形貌对其催化活性的影响机理及规律；构建电极表面的电吸附动力学及阳极氧化反应动力学模型，揭示染料分子和聚酯醇解产物在电极表面的电催化氧化反应的竞争关系和影响因素，阐明聚酯醇解液复杂体系中电催化氧化反应机理；优化电催化氧化脱色工艺条件；为发展高效快速的废弃聚酯纺织品脱色技术提供理论基础和实验依据。

为解决聚酯醇解产物不易脱色和脱色不完全的难题，本课题建立了多种基于纳米三维电极的电化学氧化脱色方法，脱除废弃聚酯纺织品降解产物中残留的染料分子。通过光学、磁学及电化学等实验手段，阐明染料分子与纳米磁性分散电极的吸附机理，明确染料分子在电极表面上的电子转移方式、电极过程及脱色机理。.（1）本研究以溶剂热法制备了一种多壁碳纳米管-四氧化三铁(MWCNT-Fe3O4)复合材料，并以此作为分散电极，制备了三维电催化氧化电解池，对蒽醌染料分散蓝2BLN进行脱色。探讨各因素对染料脱色率的影响。电解电压为17V，电解质质量浓度为1.00g/L，OS-MWCNTs-Fe3O4分散电极质量浓度为75mg/L，染料初始质量为25mg/L，初始pH值为5，在此条件下脱色3h，脱色率可达到99％。.（2）由于四氧化三铁自身的磁性特性，制备的MWCNT-Fe3O4分散电极存在一定的团聚现象。为解决这一问题，本课题还研制了ZnO/CuO/Ti多孔复合电极，作为电催化脱色体系的三维分散电极。ZnO纳米棒、CuO薄膜能够在孔径为1μm的多孔Ti表面均匀分布；同时，与单独的多孔Ti/ZnO、多孔Ti/CuO修饰电极相比，多孔Ti/ZnO/CuO修饰电极在有色聚酯醇解液中具有较强的电催化活性，实现对乙二醇/水混合溶液中分散红60的高效脱色。ZnO与CuO物质的量比为8:5时，在电压为18V，初始pH值为5，电解质质量浓度为1.2g/L，染料初始质量浓度为55mg/L的条件下，脱色效果较好，电解120min后分散红60的脱色率可达95％以上。.（3）本课题还研制了一种Fe离子改性活性炭用于聚酯降解产物的脱色。FeSO4 浓度为1.224 mol/L，超声时间为4.93 h，且无煅烧的条件下，改性AC对BHET中染料的平 均脱色率最大，可达93.48％，远高于未改性AC的85.04％，同时其吸附容量也比未 改性的AC高出约1.8 mg/g。