臭氧和過氧化氫高效電化學協(xié)同產生的規(guī)律及機理研究中文摘要

傳統(tǒng)的電化學陽極氧化分解水產臭氧技術和陰極還原氧產過氧化氫技術存在能耗較高及較多副反應的缺點。本項目基于前期實現了在同一個電解池中協(xié)同陽極產臭氧和陰極產過氧化氫的電流效率分別達到11%和28%的基礎上，進一步深入研究臭氧和過氧化氫協(xié)同產生的規(guī)律及機理。. 課題通過研究陽極、陰極、電解質以及隔膜的不同配置方法對協(xié)同產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協(xié)同產生的規(guī)律。通過電化學穩(wěn)態(tài)極化曲線研究電極過程動力學，通過電化學暫態(tài)技術分析表證電極過程中的活性中間粒子，通過現代分析測試技術研究電極構效關系，結合反應的熱力學平衡計算，闡明在同一電解池中協(xié)同產生臭氧和過氧化氫的機理及動力學規(guī)律。進而改進技術，進一步提高臭氧和過氧化氫協(xié)同產生的效率，降低能耗。. 通過該研究，將為臭氧和過氧化氫的高效電化學協(xié)同產生技術的放大和實用化提供理論依據并奠定實驗基礎。

本項目針對傳統(tǒng)的電化學陽極氧化分解水產臭氧技術和陰極還原氧產過氧化氫技術存在能耗較高及較多副反應的缺點，提出了耦合陽極分解水產臭氧及陰極還原氧產過氧化氫的電化學技術，并通過研究電解池配置方法、電極材料表征及電化學過程分析等深入研究臭氧和過氧化氫協(xié)同產生的規(guī)律和機制。 項目按照計劃內容實施，系統(tǒng)研究了電解池配置方法、電解參數、電極材料制備及修飾對臭氧和過氧化氫產生效率的影響，闡明了臭氧和過氧化氫協(xié)同產生的規(guī)律。結果發(fā)現，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1800小時；溶膠凝膠法制備的摻雜二氧化錫電極結構和穩(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復合均難以達到提高鎳銻摻雜二氧化錫電極產臭氧的活性?？諝鈹U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。同時通過蒽醌修飾該空氣擴散陰極可以提高氧氣還原產過氧化氫的性能最大達2.2倍。同時通過研究電解過程中產生的自由基等中間產物，討論了臭氧和過氧化氫協(xié)同產生的機理。在機理分析的基礎上，通過摻雜二氧化錫陽極修飾強化了臭氧產生的性能，產臭氧的電流效率達到了26%。同時依據本項目耦合電化學技術中陰極反應和陽極反應，實現電化學技術的多功能化的學術思路，開展了微生物電化學系統(tǒng)的新功能開發(fā)研究，實現了微生物電化學系統(tǒng)協(xié)同處理有機廢水和重金屬廢水或者處理有機廢水和產氫，進一步拓展了研究領域。

申請者發(fā)現了緩蝕劑吸脫附誘導的電化學振蕩現象，本項目從緩蝕體系平衡非線性特征出發(fā)，采用實驗研究與理論模擬相結合的方法，研究這類新振蕩的規(guī)律和機制，驗證關于緩蝕體系中多重定態(tài)和自催化步驟的假定，建立非線性動力學數學模型，以闡明緩蝕體系的演化趨勢和影響因素，深刻認識界面型緩蝕劑的作用機理，提出新緩蝕劑設計的指導原則。.

本研究包含超聲波協(xié)同臭氧污水消毒技術的效果及機理、超聲波協(xié)同次氯酸鈉消毒技術的效果及機理和超聲波協(xié)同紫外線（UV）污水消毒技術的效果及機理三個子課題，以北京市某城鎮(zhèn)污水處理廠二級處理出水為對象，以基本水質參數、細菌總數、糞大腸菌群、沙門氏菌和SC噬菌體為主要監(jiān)測指標，開展實驗室及中試研究，探索開發(fā)污水消毒新技術和新工藝。 研究項目以研究超聲波空化效應為基礎，深入研究了與臭氧、次氯酸鈉、紫外線和納米ZnO消毒密切相關的水質指標在超聲波作用下的變化情況、協(xié)同作用效果與消毒機理，研究了協(xié)同作用對微生物光復活影響，分析了超聲波空化效應與協(xié)同作用效果的內在聯系及相關性，為工藝的推廣應用提供理論支持。 研究表明，超聲波作用對水質參數有較大影響，其空化作用和機械剪切效應對水體消毒可以形成促進作用；超聲波通過改善水體懸浮顆粒的粒徑分布，破碎菌膠團以強化消毒劑的作用。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)于消毒劑單獨或者二者分別消毒效果之和，有明顯的協(xié)同作用效應。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，縮短消毒作用時間，減少消毒副產物的生成。同時，超聲波與消毒劑的協(xié)同作用，可有效抑制微生物的光復活，保證持續(xù)的殺菌能力，減少排放水體后潛在的生態(tài)安全風險。 本研究設計的超聲波/紫外線一體化消毒裝置已獲得發(fā)明專利，研發(fā)的中試試驗裝置在國內尚屬首次，運行監(jiān)測結果表明，超聲波能量密度為2.64kJ/L，UV劑量為24mJ/cm2，水力停留時間為30s時的協(xié)同消毒可以很好的適應水質波動的影響，出水糞大腸菌群指標滿足排放標準，具有很好的實際應用價值和推廣潛力。 2100433B