Bi-SnO_(2)电催化膜的制备及对饮用水中卡马西平的强化去除

以家用净水器活性炭滤芯为支撑体(Carbon membrane,CM),通过电沉积法制备Bi-SnO_(2)电催化膜(Bi-SnO_(2)/CM),通过电催化强化降解饮用水中的PPCPs.采用SEM、EDS、XRD分别对CM、SnO_(2)/CM和Bi-SnO_(2)/CM进行了结构表征,并利用Tafel、CV、EIS方法对3种膜的析氧电势、比电容和电化学阻抗等电化学特性进行表征,并选取卡马西平(Carbamazepine,CBZ)作为PPCPs代表物进行电催化效能试验研究.结果表明:采用电沉积-水热方法制备的Bi-SnO_(2)纳米颗粒的粒径尺寸约为27.2nm,可以很好地负载到活性炭滤芯表面,并制备出电化学性能优异的电催化膜,相比基膜其Tafel斜率由31.09mV/dec增至80.22mV/dec,电化学阻抗由1.03Ωcm^(2)降低为0.37Ωcm^(2),比电容也由0.689F/g增至2.635F/g.最终通过实验验证了其对卡马西平的降解效果,在静态循环实验中,Bi-SnO_(2)/CM对CBZ的去除率30min可达到97.3%,在运行1h后矿化率为59.2%,耗能为123.87kW·h/kgTOC,ΔTMP为0.177kPa.在连续运行时,Bi-SnO_(2)/CM对CBZ的去除率达93.7%,在运行1h后矿化率为35.2%,耗能为208.33kW·h/kgTOC,ΔTMP为0.613kPa.说明Bi-SnO_(2)/CM电催化膜具有良好的导电性、电催化活性和稳定性,同时对CBZ具有较好的去除效果.

MnO_(2)/Ti电催化膜的制备及其处理乳化油废水性能研究

通过简单可控的电沉积方法制备了一种高性能MnO_(2)包覆Ti基电催化膜(MnO_(2)/Ti)。系统地表征了所制备的MnO_(2)/Ti膜形貌、元素含量、价态分布和电化学阻抗以及循环伏安交流测试,并考察了流速和电流密度对MnO_(2)/Ti膜水处理性能的影响。结果表明,MnO_(2)均匀分布在Ti膜表面,电沉积MnO_(2)可以显著提高Ti膜电化学活性,增强Ti膜电催化氧化性能,从而提升Ti膜自清洁能力。在电流密度为10 mA/cm^(2),流速为1.5 mL/min的工作条件下,乳化油的去除率高达91%。此外,MnO_(2)/Ti膜具有良好的稳定性和可重复使用性能。氧化机理表明,MnO_(2)/Ti膜在电催化处理过程中具有直接和间接氧化活性,MnO_(2)涂层可提高Ti膜的直接氧化能力和·OH、O_(2)^(·-)产量。

穿流式电催化膜MnO_(2)@Ti的制备及催化氧化正丙醇性能

为了增强催化剂和反应物之间的接触和传质,采用流动合成法在多孔钛膜孔道中原位固载了MnO_(2)纳米颗粒,构筑了MnO_(2)@Ti电催化膜,并用于电催化正丙醇氧化制备丙酸。形貌结构表征表明在1μm膜孔中成功地固定了平均尺寸为83nm的MnO_(2)纳米颗粒。电化学表征表明,与钛膜相比,MnO_(2)@Ti电催化膜的电流密度增加了3.58mA/cm^(2),电荷转移电阻降低了26.1Ω,说明可以实现更快的电子转移。MnO_(2)@Ti电催化膜在膜通量为89.3L/(m^(2)·h)的穿流模式下,催化初始浓度为160mmol/L的正丙醇氧化的转化率可达95%,丙酸选择性为89%,丙酸电流效率为90%。正丙醇氧化生成丙酸反应的机理分析表明,穿流模式下强化接触和传质能使MnO_(2)@Ti电催化膜氧化过程中更多的·OH被利用,从而提高正丙醇的氧化性能。

TiO_(2)/Ti电催化膜电极的制备及其对盐酸四环素废水的处理

为高效降解盐酸四环素(TCH)废水,以氢氧化钠、乙醇和水为溶剂,以平板微孔钛膜为钛源和基膜,采用水热法制备出原位生长二氧化钛纳米线的钛基电催化膜(TiO_(2) NWs/Ti膜)。运用扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和电化学测试等手段,对TiO_(2) NWs/Ti膜电极的形貌、晶型和电化学性能等进行表征,并以TiO_(2) NWs/Ti膜为阳极构建电催化膜反应器(ECMR)处理盐酸四环素废水。结果表明:原位生长的催化剂锐钛矿TiO_(2)纳米线直径约为40 nm,均匀生长在Ti膜上;负载TiO_(2)纳米线可以显著提高Ti膜电极的电化学性能和催化活性,在常温常压下,当盐酸四环素废水质量浓度为50 mg/L、停留时间为10 min、电流密度为0.8 mA/cm2、pH值为7.0、Na2SO4质量浓度为15 g/L、溶液体积为100 mL时,盐酸四环素去除率可达99.5%,TOC去除率可以达到70.5%,明显高于Ti膜构建ECMR(40.2%和12.8%),且经过10次重复使用,催化性能基本保持较高水平。

纳米MnO_x/Ti电催化膜电极形貌调控及环己烷催化氧化性能

为实现高性能催化氧化环己烷,以高锰酸钾为锰源,通过控制高锰酸钾的浓度,利用水热法成功制备形貌可控的纳米线、纳米花球和纳米片锰氧化物负载多孔Ti电催化膜电极(nano-MnO_x/Ti),通过高分辨电子显微镜、循环伏安法和电化学交流阻抗等表征方法考察不同形貌的nano-MnO_x/Ti多孔膜电极的电催化性能。同时,以此为阳极,不锈钢网为阴极,构建电催化膜反应器(ECMR),催化氧化环己烷制备环己醇和环己酮(KA油),考察初始浓度、反应温度、停留时间和电流密度等操作参数对环己烷转化率和KA油选择性的影响。结果表明:KMnO_4浓度为5.0 mmol/L时可制得纳米线状MnO_x,由此制得的纳米线状MnO_x/Ti膜电极电化学性能最优;环己烷转化率随着初始浓度的降低和停留时间的延长而增大,随着反应温度和电流密度的增大先增大后减小;环己醇选择性随着初始浓度的降低和反应温度、停留时间、电流密度的增大而减小,而环己酮选择性随之增大;最佳操作条件为反应温度30℃、环己烷10 mmol/L、电流密度3.0 mA/cm^2、停留时间30 min,此时采用纳米线状MnO_x/Ti膜电极构建的ECMR中环己烷转化率为15.2%,环己酮选择性为81.1%,KA油总选择性大于99%.

钛基电催化膜反应器催化氧化环己烷制备环己醇和环己酮

采用浸渍涂覆法制备出Mn Ox/Ti电催化膜.以Mn Ox/Ti电催化膜为阳极,以不锈钢网为阴极,构建电催化膜反应器用于催化氧化环己烷制备环己醇和环己酮;考察Mn Ox/Ti膜材料电化学性能以及膜反应器的不同操作参数对环己烷转化率、环己醇和环己酮选择性的影响.结果表明:Mn Ox/Ti膜材料的电化学性能相对Ti膜明显增强;当反应物浓度为10 mmol/L、停留时间为34.3 min、电流密度为2.9 m A/cm2时,环己烷转化率达到12.5%,环己醇的选择性为38.7%,环己酮的选择性为50.1%.

纳米氧化锰负载钛基电催化膜制备及其苯甲醇催化氧化性能

利用乳液法制备出MnOx纳米颗粒,将其负载于微孔管式钛膜制得MnOx负载钛基电催化膜(MnOx/Ti).运用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、循环伏安法(CV)和计时电流法(CA)等表征方法系统考察了不同焙烧温度下MnOx晶型结构、MnOx/Ti催化膜电化学性能以及催化氧化苯甲醇的变化规律.结果表明:随着焙烧温度的升高,MnOx的晶型由初始的Birnessite-MnO2逐渐转变为K0.27MnO2,再由Mn3O4最终转变为α-MnO2.所得MnOx/Ti膜中,α-Mn O2晶粒尺寸小于30 nm,结晶度较高,颗粒分布均匀.同时,由于其含有不饱和配位的锰原子和氧空位以及与基体Ti之间存在键合作用,表现出优异的电化学性能和催化性能.以450°C焙烧所得的α-MnO2/Ti为阳极构建电催化膜反应器催化氧化苯甲醇.在反应温度为25°C,50mmol L–1苯甲醇水溶液,电流密度为2 m A cm–2,停留时间为15 min的条件下,膜反应器苯甲醇转化率达64%,苯甲醛选择性为79%.

基于含油废水处理的电催化膜反应器优化设计及性能研究

以负载纳米TiO2的电催化膜为阳极,辅助电极为阴极,构成电催化膜反应器用于含油废水处理.考察了电极间距、电解质浓度、电流密度、空时速率、pH和温度对电催化膜反应器降解效果即含油废水化学需氧量(COD)去除率的影响.根据单因素实验分析结果,采用响应面法对电极间距、电解质浓度、pH和温度四个参数进行优化,得出最佳参数为:电极间距43.1mm,电解质浓度14.3g/L,pH=6.3,温度32.5℃.在电流密度0.312mA/cm2,空时速率15.8h-1的条件下,电催化膜反应器处理200mg/L含油废水COD去除率为97.54%,能耗为0.75kWh/m3.

钛基电催化膜电化学合成制备丙酸及膜反应器优化设计

以负载纳米MnO2的导电微孔钛膜为阳极,不锈钢为阴极,构建电催化膜反应器用于正丙醇电化学合成丙酸.考察了电催化膜反应器操作电压、电流密度、反应温度、溶液pH值及停留时间对正丙醇转化率和丙酸选择性的影响,采用响应面法对操作电压、反应温度、溶液pH值及停留时间4个参数进行优化.结果显示,电催化氧化正丙醇制备丙酸的最优条件为操作电压为2.87V、溶液pH值为4.82、停留时间为22.55min、反应温度为52.63℃.电催化膜反应器运行75min时,正丙醇转化率为99.82%,丙酸选择性为79.91%.

纳米氧化锰负载钛基电催化膜制备及处理含酚废水性能研究

以多孔钛膜为基膜,醋酸锰为锰源,采用溶胶-凝胶法制备出负载纳米氧化锰的钛基电催化膜(nano-MnO_x/Ti膜).运用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、循环伏安法(CV)、交流阻抗法(EIS)和计时电流法(CA)等测试手段,对MnO_x/Ti膜电极的微观形貌、晶型、电化学性能等进行表征.结果表明,所得催化剂是由直径为50 nm的γ-Mn O2和Mn2O3纳米棒所组成,且均匀分布于Ti膜上,负载催化剂后钛膜电极电化学性能和催化性能明显提高,催化剂与基体之间键合的形成提高其稳定性.以棒状nano-MnO_x/Ti膜电极为阳极构建电催化膜反应器(ECMR)处理含酚废水,当苯酚溶液浓度为10 mmol·L-1、电流密度为0.25 m A·cm-2、停留时间为15 min时,COD去除率可达95.1%.

Co_3O_4/Ti电催化膜电极制备及其苯甲醇催化氧化性能

本文采用浸渍涂覆法制备出多孔Ti负载纳米Co_3O_4电催化膜电极(Co_3O_4/Ti),以该膜电极为阳极,辅助电极为阴极,构建电催化膜反应器(electrocatalytic membrane reactor,ECMR)用于可控催化氧化苯甲醇制备苯甲醛和苯甲酸,并考察了Co_3O_4/Ti膜电极结构、电化学性能以及ECMR不同操作参数对苯甲醇转化率、苯甲醛和苯甲酸选择性的影响.结果表明,负载Co_3O_4纳米颗粒可以显著提高Ti膜电极的电化学性能和催化活性.在常温常压下,当反应物苯甲醇浓度为10 mmol·L^(-1),pH为7.0,停留时间为5.0 min,电流密度为2.5 mA·cm^(-2)时,苯甲醇的转化率达到49.8%,苯甲醛选择性为51.5%,苯甲酸选择性为23.6%.

PTFE/Bi-SnO_2-CNT电催化膜的结构及性能表征

为了提高电催化膜的电催化性能,通过电化学-水热法制备了以聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜为支撑,Bi掺杂SnO_2修饰的碳纳米管(CNT)电催化膜(PTFE/Bi-SnO_2-CNT),分别进行了膜的电化学性能分析、形态结构表征及水中双酚A (BPA)降解性能实验。结果表明,PTFE/Bi-SnO_2-CNT为多孔导电网络结构,Bi-SnO_2颗粒均匀负载在碳纳米管表面,粒径为3.8 nm,当铋锡摩尔比为1∶15、电沉积电压为2.5 V时,制备的PTFE/Bi-SnO_2-CNT析氧电势为1.75 V,在3 V直流电压下,连续运行12 h, PTFE/Bi-SnO_2-CNT对浓度为30 mg/L的BPA降解率可达76.3%.这一结果说明PTFE/Bi-SnO_2-CNT具有良好的电化学性能、BPA吸附和降解性能,可成为电催化降解水中有机物的新型膜材料.

铋掺杂二氧化锡/炭膜电催化膜的制备及表征

采用电还原-水热法,以炭膜为基膜制备Bi掺杂的SnO2(Bi-SnO2/CM)电催化膜,并采用SEM、XRD、线性伏安法(LSV)、循环伏安法(CV)等表征手段对电催化膜的组成结构及性能进行分析。研究结果表明,Bi-SnO2通过化学键与炭膜紧密结合,可以增加电催化膜的活性位点数量,使电催化膜对大肠杆菌表现出优异的去除性能。当Bi与Sn的物质的量比为0.15,电还原时间为60min,电流为0.2mA时,制得的电催化膜的析氧电势达到1.74V,电化学腐蚀时间可以达到44.5h,且连续运行5h后对大肠杆菌的去除率仍高于96.1%。这表明Bi-SnO2/CM电催化膜在水中污染去除方面具有很好的应用前景。

Bi-SnO2/GO电催化膜的制备及其性能研究

采用电化学水热法,以聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜为支撑,制备Bi掺杂SnO2修饰氧化石墨烯(GO)的电催化膜(Bi-SnO2/GO),通过SEM、TEM、EDS、XRD、LSV、EIS、CV等手段对其结构及性能进行表征,并考察了其对水中大肠杆菌的去除效果.结果表明,当Bi/Sn摩尔比为1∶15、电沉积电压为2.0 V时,制备的Bi-SnO2/GO催化膜的析氧电势为1.75 V,Bi-SnO2/GO膜表面均匀分布着纳米Bi-SnO2粒子,粒子尺寸约为10.4 nm,Sn和Bi元素的质量分数分别为11.28%和3.59%;当外加直流电压为2.5 V且连续运行5 h时,Bi-SnO2/GO催化膜对水中大肠杆菌的去除率达到96.82%,表明Bi掺杂SnO2显著提高了GO基电催化膜的电性能及对大肠杆菌的去除性能(~62.0%).

Sb-SnO_(2)/OMC电催化膜对水中大肠杆菌的去除效果

为了提高电催化膜的电催化性能,采用电沉积法,以PTFE膜为支撑,制备出Sb掺杂SnO_(2)沉积OMC的SbSnO_(2)/OMC电催化膜。利用SEM、TEM、XRD和LSV等分析手段,对Sb-SnO_(2)/OMC的结构组成及性能进行表征。结果表明,Sb-SnO_(2)粒子均匀分布在OMC表面,结合形成多个活性化学位点。当锑与锡摩尔比为0.15、电沉积电压为2.5 V、电还原时间为60 min时,制得的Sb-SnO_(2)/OMC析氧电势为1.73 V。在电压2.5 V的条件下,电催化膜连续工作5 h,对水中大肠杆菌去除率可达95.9%,这表明Sb-SnO_(2)/OMC电催化膜能很好去除水中微生物,在水处理领域有良好的应用前景。

电催化膜灭活大肠杆菌机制

通过电催化膜对大肠杆菌进行灭活处理,采用电子顺磁共振技术检测电催化过程产生的自由基,采用平板计数、电镜观察、双染法和刃天青还原实验等方法评价大肠杆菌的可培养能力、形态结构、细胞膜通透性和新陈代谢能力,探究电催化膜灭活大肠杆菌的机制.研究结果表明,电催化膜在水处理过程中能够产生对灭活大肠杆菌起重要作用的·OH、^(1)O_(2)等氧化活性物质,能破坏大肠杆菌的结构形态、细菌还原酶和新陈代谢能力,使细菌失去活性而灭活;大肠杆菌灭活效果随着电催化膜电流密度的增加而增加,当电流密度增加到75 mA/cm^(2)时,大肠杆菌减少了4.1个数量级,具有新陈代谢能力的活细菌下降至32.4%.

响应面法优化电催化膜去除水中阿莫西林的操作条件

为提高电催化膜对水中阿莫西林的去除率同时降低系统能耗,对电催化膜去除水中阿莫西林的操作条件进行优化。以电压、流速和初始浓度为考察因素,利用Design-Expert软件建立数学模型,以阿莫西林去除率和能耗为响应值进行响应面优化。以阿莫西林去除率最大值和能耗最小值为优化目标,最佳操作条件为电压3 V、流速1.5 mL/min和初始浓度23 mg/L。在此优化条件下,阿莫西林去除率为90.3%,平均能耗为24.07 kWh/kgAMX,与模型预测值相吻合。采用响应面法对电催化膜去除水中阿莫西林的操作条件进行优化具有可行性,可对阿莫西林去除率和能耗进行有效预测。

小型电催化膜组件的结构设计及流场仿真分析

目的:为保障饮水安全,设计一种用于水质净化的小型电催化膜组件。方法:该组件基于电催化膜净水技术设计,主要由阳极电催化膜、阴极金属网、密封件和外壳组成。其中电催化膜为管式炭膜,金属网为管式钛网,外壳由上盖、壳体、密封圈和下盖组成,密封件由压盖、固定座、密封套、导线和密封圈组成。采用COMSOL软件,通过模型构建、网格划分对该组件进行流场仿真分析。结果:仿真结果表明,该组件主要管路的速度分布和压力分布均匀。结论:小型电催化膜组件设计合理,可作为重要功能元件用于小型净水装备。

O2还原生物阴极电催化膜耦合反应器降低启动电压的研究

分别采用活性炭和石墨毡两种不同的碳材料作为阴极电极材料和微生物载体以构建O2还原生物阴极电催化膜耦合反应器。采用阴极电势、电流等电化学表征,证明石墨毡比活性炭更易形成生物阴极。对石墨毡生物阴极进行了16SrRNA微生物群落分析,证实了电化学活性微生物的存在。反应器启动成功后,电流密度从0增大到0.015mA/cm^2。与电催化膜反应器相比,其启动电压降低。

间歇电沉积法制备纳米MnOx/Ti膜电极及其催化氧化环己烷性能

高选择性氧化环己烷(CHA)制备环己酮和环己醇(KA油)具有重要的工业价值和应用前景.本文提出采用间歇电沉积法制备纳米MnOx催化剂负载多孔管式钛膜,构建电催化膜反应器(ECMR)催化氧化环己烷制备环己醇和环己酮.利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射仪(XRD)和电化学工作站等表征手段对催化剂的结构与性能进行表征.结果表明,间歇电沉积法制备的催化剂为纳米花球状γ-MnO2.与基体钛膜相比,MnOx/Ti膜电极具有更优的电化学性能和传质性能.此外,以MnOx/Ti电催化膜为阳极,不锈钢网为阴极构建ECMR.当环己烷初始浓度30 mmol·L^-1、反应温度30℃、停留时间34.3 min、电流密度2.3mA·cm^-2等条件下,ECMR环己烷转化率达25.6%,KA油总选择性高于99%.同时,ECMR重复使用8次后表现较高催化稳定性.