臭氧和過氧化氫高效電化學(xué)協(xié)同產(chǎn)生的規(guī)律及機(jī)理研究

本項(xiàng)目針對傳統(tǒng)的電化學(xué)陽極氧化分解水產(chǎn)臭氧技術(shù)和陰極還原氧產(chǎn)過氧化氫技術(shù)存在能耗較高及較多副反應(yīng)的缺點(diǎn)，提出了耦合陽極分解水產(chǎn)臭氧及陰極還原氧產(chǎn)過氧化氫的電化學(xué)技術(shù)，并通過研究電解池配置方法、電極材料表征及電化學(xué)過程分析等深入研究臭氧和過氧化氫協(xié)同產(chǎn)生的規(guī)律和機(jī)制。 項(xiàng)目按照計(jì)劃內(nèi)容實(shí)施，系統(tǒng)研究了電解池配置方法、電解參數(shù)、電極材料制備及修飾對臭氧和過氧化氫產(chǎn)生效率的影響，闡明了臭氧和過氧化氫協(xié)同產(chǎn)生的規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過施加氟摻雜氧化錫中間層，能極大提高鎳銻摻雜二氧化錫電極的穩(wěn)定性，壽命可達(dá)1800小時(shí)；溶膠凝膠法制備的摻雜二氧化錫電極結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性優(yōu)于涂覆熱解工藝；而通過控制涂敷熱解制備工藝中的干燥時(shí)間可以提高摻雜二氧化錫電極的活性。然而通過摻雜銀或者鈰，或者用鉍代替銻，或者用PTFE復(fù)合均難以達(dá)到提高鎳銻摻雜二氧化錫電極產(chǎn)臭氧的活性?？諝鈹U(kuò)散陰極基底材料和制備工藝對氧還原制備過氧化氫有較大的影響，研究優(yōu)化了該制備工藝。同時(shí)通過蒽醌修飾該空氣擴(kuò)散陰極可以提高氧氣還原產(chǎn)過氧化氫的性能最大達(dá)2.2倍。同時(shí)通過研究電解過程中產(chǎn)生的自由基等中間產(chǎn)物，討論了臭氧和過氧化氫協(xié)同產(chǎn)生的機(jī)理。在機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，通過摻雜二氧化錫陽極修飾強(qiáng)化了臭氧產(chǎn)生的性能，產(chǎn)臭氧的電流效率達(dá)到了26%。同時(shí)依據(jù)本項(xiàng)目耦合電化學(xué)技術(shù)中陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電化學(xué)技術(shù)的多功能化的學(xué)術(shù)思路，開展了微生物電化學(xué)系統(tǒng)的新功能開發(fā)研究，實(shí)現(xiàn)了微生物電化學(xué)系統(tǒng)協(xié)同處理有機(jī)廢水和重金屬廢水或者處理有機(jī)廢水和產(chǎn)氫，進(jìn)一步拓展了研究領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的電化學(xué)陽極氧化分解水產(chǎn)臭氧技術(shù)和陰極還原氧產(chǎn)過氧化氫技術(shù)存在能耗較高及較多副反應(yīng)的缺點(diǎn)。本項(xiàng)目基于前期實(shí)現(xiàn)了在同一個(gè)電解池中協(xié)同陽極產(chǎn)臭氧和陰極產(chǎn)過氧化氫的電流效率分別達(dá)到11%和28%的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入研究臭氧和過氧化氫協(xié)同產(chǎn)生的規(guī)律及機(jī)理。. 課題通過研究陽極、陰極、電解質(zhì)以及隔膜的不同配置方法對協(xié)同產(chǎn)生臭氧和過氧化氫的電流效率和能耗的影響，探討臭氧和過氧化氫電化學(xué)協(xié)同產(chǎn)生的規(guī)律。通過電化學(xué)穩(wěn)態(tài)極化曲線研究電極過程動力學(xué)，通過電化學(xué)暫態(tài)技術(shù)分析表證電極過程中的活性中間粒子，通過現(xiàn)代分析測試技術(shù)研究電極構(gòu)效關(guān)系，結(jié)合反應(yīng)的熱力學(xué)平衡計(jì)算，闡明在同一電解池中協(xié)同產(chǎn)生臭氧和過氧化氫的機(jī)理及動力學(xué)規(guī)律。進(jìn)而改進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步提高臭氧和過氧化氫協(xié)同產(chǎn)生的效率，降低能耗。. 通過該研究，將為臭氧和過氧化氫的高效電化學(xué)協(xié)同產(chǎn)生技術(shù)的放大和實(shí)用化提供理論依據(jù)并奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

申請者發(fā)現(xiàn)了緩蝕劑吸脫附誘導(dǎo)的電化學(xué)振蕩現(xiàn)象，本項(xiàng)目從緩蝕體系平衡非線性特征出發(fā)，采用實(shí)驗(yàn)研究與理論模擬相結(jié)合的方法，研究這類新振蕩的規(guī)律和機(jī)制，驗(yàn)證關(guān)于緩蝕體系中多重定態(tài)和自催化步驟的假定，建立非線性動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，以闡明緩蝕體系的演化趨勢和影響因素，深刻認(rèn)識界面型緩蝕劑的作用機(jī)理，提出新緩蝕劑設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則。.

本研究包含超聲波協(xié)同臭氧污水消毒技術(shù)的效果及機(jī)理、超聲波協(xié)同次氯酸鈉消毒技術(shù)的效果及機(jī)理和超聲波協(xié)同紫外線（UV）污水消毒技術(shù)的效果及機(jī)理三個(gè)子課題，以北京市某城鎮(zhèn)污水處理廠二級處理出水為對象，以基本水質(zhì)參數(shù)、細(xì)菌總數(shù)、糞大腸菌群、沙門氏菌和SC噬菌體為主要監(jiān)測指標(biāo)，開展實(shí)驗(yàn)室及中試研究，探索開發(fā)污水消毒新技術(shù)和新工藝。 研究項(xiàng)目以研究超聲波空化效應(yīng)為基礎(chǔ)，深入研究了與臭氧、次氯酸鈉、紫外線和納米ZnO消毒密切相關(guān)的水質(zhì)指標(biāo)在超聲波作用下的變化情況、協(xié)同作用效果與消毒機(jī)理，研究了協(xié)同作用對微生物光復(fù)活影響，分析了超聲波空化效應(yīng)與協(xié)同作用效果的內(nèi)在聯(lián)系及相關(guān)性，為工藝的推廣應(yīng)用提供理論支持。 研究表明，超聲波作用對水質(zhì)參數(shù)有較大影響，其空化作用和機(jī)械剪切效應(yīng)對水體消毒可以形成促進(jìn)作用；超聲波通過改善水體懸浮顆粒的粒徑分布，破碎菌膠團(tuán)以強(qiáng)化消毒劑的作用。超聲波協(xié)同臭氧、次氯酸鈉和紫外線消毒的效果明顯優(yōu)于消毒劑單獨(dú)或者二者分別消毒效果之和，有明顯的協(xié)同作用效應(yīng)。超聲波的加入可以降低約50%的次氯酸鈉使用量和25%的臭氧投加量，提高消毒效率，縮短消毒作用時(shí)間，減少消毒副產(chǎn)物的生成。同時(shí)，超聲波與消毒劑的協(xié)同作用，可有效抑制微生物的光復(fù)活，保證持續(xù)的殺菌能力，減少排放水體后潛在的生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。 本研究設(shè)計(jì)的超聲波/紫外線一體化消毒裝置已獲得發(fā)明專利，研發(fā)的中試試驗(yàn)裝置在國內(nèi)尚屬首次，運(yùn)行監(jiān)測結(jié)果表明，超聲波能量密度為2.64kJ/L，UV劑量為24mJ/cm2，水力停留時(shí)間為30s時(shí)的協(xié)同消毒可以很好的適應(yīng)水質(zhì)波動的影響，出水糞大腸菌群指標(biāo)滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和推廣潛力。 2100433B