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Ni-Fe-LDH/碳纳米管复合膜电极用于流动式电化学降解工业废水中有机磷

文章出处:人气: 发表时间:2021-04-15 00:00

  有机磷农药(如毒死蜱)是农业和工业废水中常见的高毒性有机污染物。传统的生化降解周期长,高级氧化是有效的降解手段。电化学氧化(EO)因其原位产生强氧化剂且不需外投化学品而备受青睐。然而,传统平行板EO反应器受限于传质慢,对低浓度有机物的处理电流效率极低。流通式膜电极,将电化学活性材料制备成多孔膜状电极,迫使废水垂直穿透电极的孔道。这种设计极大强化了污染物向电极表面的对流传质,使其与电极表面产生的短寿命活性物种(如·OH、高价态金属-氧物种)的接触概率呈指数级提高,从而成倍提升电流效率和降解速率。Ni-Fe-LDH是已知的优良析氧电催化剂,其表面丰富的羟基和金属位点也被证实能高效产生·OH。将其与导电、柔性的CNT复合制成膜电极,兼具高电催化活性和优异的传质性能。

  本实验制备的NiFe-LDH/CNT复合膜具有优异的导电性和机械柔韧性。在流通式单程处理模式下,当渗透通量为50 L/(m²·h)、电流密度为5mA/cm²时,对初始浓度为2mg/L的毒死蜱,单程去除率即可高达95%以上,且反应产物中检测到了大量无毒的PO₄³⁻离子,说明有机磷分子被彻底矿化断裂C-P键。在相同电流密度和停留时间下,其单位能耗的处理水量是传统平行板反应器的8倍之多。这直接印证了流通式设计带来的传质革命性增强。

  EPR和自由基捕获实验证实,在NiFe-LDH/CNT膜电极氧化过程中,阳极表面的Ni(IV)-O和Fe(IV)-O高价态金属-氧物种,是负责快速氧化和断裂毒死蜱C-P键的初始活性物种,随后·OH等自由基接力完成后续的深度矿化。该研究成功地将高效二维电催化剂与流通式膜反应器设计相结合,为处理水中低浓度、高毒性的有机磷等痕量污染物,提供了一种极具应用前景的高效、紧凑化电化学处理新技术。

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