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Co3O4催化电极的制备及其电化学还原硝酸盐氮工艺研究
曹志奋1
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摘要
社会经济的快速发展，农业、工业以及家庭用水中排入水体中的含氮污染物在不断增加，水处理工艺末端出水常面临着硝酸盐氮（NO3--N）和总氮（TN）超标问题。与其他硝酸盐氮（NO3--N）处理技术相比，电化学脱氮技术具有无需外加试剂、操作简单、环境友好的特点。但电化学脱氮技术也存在电极使用寿命短、去除效率低和能耗高等问题，难以满足实际工程应用。因此，开发高效脱氮、性能稳定、经济效益高的电极材料用于电化学脱氮有较好的研究意义。在现有催化材料中，四氧化三钴（Co3O4）已被证实具有较好的电催化活性，广泛应用于电化学产氢、二氧化碳和氮氧化物的电催化还原反应，但在电化学还原硝酸盐氮方面的研究较少。本研究在不同基底上沉积制备Co3O4，将其制备为电极应用于电化学硝态氮去除工艺，考察其脱氮性能，优化工艺参数，为电化学脱氮工艺的实用化提供技术支持。 研究采用电镀法制备Co3O4催化电极作为阴极，采用溶胶凝胶法制备IrO2-RuO2/Ti电极作为阳极，构建电化学脱氮体系。通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）表征和极化曲线测试等方式对材料进行表征，从硝酸盐氮去除率、还原产物分析、总氮去除率等展开工艺条件研究，同时对电流效率、能耗进行分析，对整体工艺进行评价。主要研究内容如下： （1）以碳毡（CF）为基底采用电沉积-煅烧法制备了Co3O4/CF材料，用于阴极还原硝态氮。SEM和EDS分析表明Co3O4/CF具有立体三维结构，沉积在碳毡上的Co3O4呈颗粒状分布于碳毡表面。在0.25A电流大小下电沉积120s、500℃煅烧2h制备的Co3O4/CF硝酸盐氮去除性能最佳。以Co3O4/CF为阴极，Pt片为阳极，在pH为7.0、NO3--N浓度为100mg/L、电流密度为15mA/cm2的条件下反应2h，有87.3%的NO3--N的去除和62.53%的NH3-N生成，同时检测到在反应过程中有亚硝态氮生成，主要是由于碳毡基底参与硝态氮的还原产生。 以钛网为基底材料采用电沉积-煅烧法制备了Co3O4/Ti材料，用于阴极还原硝态氮。在0.25A电流大小下电沉积5min、沉积4次、500℃煅烧2h制备出的Co3O4/Ti性能最佳。SEM和EDS分析表明沉积在钛网上的Co3O4呈圆球状分布于钛网表面。以Co3O4/Ti为阴极，Pt片为阳极，在pH为7.0、NO3--N浓度为100mg/L、电流密度为15mA/cm2的条件下反应2h，有97.89%的NO3--N去除率和60.30%的NH3-N生成率，反应过程中未检测到亚硝态氮的生成。 （2）采用溶胶凝胶法制备了IrO2-RuO2/Ti作为阳极，考察阳极氧化去除氨氮性能。Ir/Ru摩尔比=2:1的条件下制备的IrO2-RuO2/Ti电极电化学性能最佳。制备的IrO2-RuO2/Ti电极表面呈现均裂状结构，增大了比表面积，有利于增多活性位点。IrO2-RuO2/Ti阳极氧化去除氨氮主要依靠间接氧化过程，以IrO2-RuO2/Ti为阳极，Ti片为阴极，在pH为10.0、氯离子浓度为2000mg/L、电流密度为15mA/cm2下对150mL（100mg/LNH3-N）模拟废水反应2h，氨氮去除率达到69.16%，总氮去除率为66.39%。 （3）以自制的Co3O4催化电极为阴极，IrO2-RuO2/Ti电极为阳极构建电化学脱氮工艺体系，评价电极性能和优化工艺参数。以Co3O4/CF为阴极，IrO2-RuO2/Ti为阳极，在pH为7.0、NO3--N浓度为100mg/L、Cl-浓度为2000mg/L、电流密度为15mA/cm2的条件下反应2h，有76.3%的NO3--N去除率和56.65%的TN去除率，能耗为0.12（KW·h/gNO3--N)，电流效率为33.0%，循环使用10次后发现电极稳定性较好。以Co3O4/Ti为阴极在相同条件下反应2h，有91.12%的NO3--N去除率和60.25%的TN去除率，能耗为0.10（KW·h/gNO3--N)，电流效率为40.31%，循环使用10次后仍后有90%左右硝酸盐氮去除率和60%以上的总氮去除率。相比于Co3O4/CF电极，Co3O4/Ti为阴极的脱氮性能更好、能耗更低、电流效率更高，反应4h后能达到对硝酸盐氮和总氮的去除。
关键词
硝酸盐氮/电化学脱氮/Co3O4/CF电极/Co3O4/Ti电极/Ti/IrO2-RuO2电极/产物分析引用本文复制引用
授予学位
硕士学科专业
环境工程导师
王川学位年度
2021学位授予单位
广州大学语种
中文中图分类号
X7