WSP多晶催化复合膜对重金属废水的电还原强化处理性能

采用氧化石墨烯(GO)、铁粉(Fe-Fe_(3)O_(4))和二氧化铅(PbO_(2))制备合成多晶催化剂,利用水溶性纸(WSP)辅助催化剂负载导电基表面,通过相转化法制备具有高催化活性和高电导性的WSP多晶催化复合膜,并将其用作微生物燃料电池-膜生物反应器耦合系统(MFC-MBR)阴极电极膜,开展含铜/镍重金属废水电还原强化处理性能研究。实验结果表明,相比对照组,WSP多晶催化复合膜具有低还原电位及低欧姆电阻特性(还原电位和内阻仅为0.12 V和1.38Ω);形态学表征证实,膜面负载催化剂均匀,高活性催化界面有利于重金属电还原过程。WSP多晶催化复合膜辅助MFC-MBR系统开展废水处理,Cu(Ⅱ)去除效率高于90%,Ni(Ⅱ)去除率在99%以上;铜镍混合废水中Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)同步去除率分别达到97.63%、93.18%。本研究表明,采用WSP多晶催化复合膜辅助MFC-MBR耦合系统处理重金属废水,可实现重金属电还原强化脱除,具有高效率低运行成本优势,工程应用前景广阔。

电辅助膜生物反应器体系中Co纳米催化膜处理焦化废水研究

为探究电辅助膜生物反应器(electrical membrane bioreactor, EMBR)处理难降解有机废水的效果、产电性能及抗膜污染性能,以金属有机骨架化合物(metal-organic frameworks, MOFs)为前驱体,通过碳化制备具有高催化氧还原(oxygen reduction reaction, ORR)活性的负载Co纳米颗粒的氮掺杂碳催化剂(Co-NPs),以碳纤维布作为基体组装Co-NPs/PVDF碳纤维基催化膜,并构建催化膜耦合EMBR体系处理实际焦化废水.考察碳化温度、Co/N协同作用、N掺杂含量及形态对ORR活性的影响,探究了催化膜在EMBR体系中处理实际焦化废水的污染物去除效率、抗污染特性和产能效果.结果表明:①Co-NPs的ORR反应为4电子转移还原途径,还原产物为水.②Co-NPs/PVDF碳纤维基催化膜在微电场下保持稳定的高膜通量.催化膜污染在运行初期符合膜孔堵塞模型,后期表现为滤饼层污染模型控制,膜污染以滤饼层污染为主.微电场可以降低滤饼层比阻,能有效解决膜污染问题.③EMBR体系处理实际焦化废水,COD、TN、NH_(4)^(+)-N和挥发酚的去除率分别为97.2%、43.8%、82.9%和99.8%.④系统最大产电功率密度为823.8 mW/m^(3),库仑效率为8.3%.研究显示,以MOFs为前驱体制备的Co-NPs纳米催化剂,以碳纤维布作为基体制备Co-NPs/PVDF碳纤维基催化膜,耦合EMBR体系在焦化废水处理过程中表现出了高效的污染物降解效率、能源转化效率,并且微电场环境可达到抗膜污染效果.

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%.

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%.

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。

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。

燃料电池技术在电催化反应领域的应用

燃料电池反应器是一种既能生产有价值化学品 ,又能同时发电的新型单元操作装置。由于其安全、反应易受控制、无污染 ,且能源资源利用率高的特点 ,日益受到各国工业部门的重视。本文评述了几类燃料电池反应器如酸性燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池的用途、工作原理及其实现工业化所面临的几个主要问题。

厌氧膜生物反应器的现状、挑战和前景

厌氧膜生物反应器(AnMBRs)不仅可以高效去除污染物,改善出水水质,而且可以实现生物能源回收,对保护环境和缓解能源危机具有重大意义。膜污染作为制约AnMBRs应用与推广的限制因素得到了大量关注,各种缓解和控制膜污染的方法和技术不断涌现。因此,对AnMBRs的运行机理、多元化应用、膜污染情况进行综述,并分析和评估了微生物电催化系统(BES)-AnMBRs组合工艺的可行性和发展潜力,以期为AnMBRs工程应用和未来发展提供理论和技术参考。

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%.

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%.

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%.

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.

二氧化碳电化学还原反应器的研究进展

电化学还原二氧化碳(CO2)可实现CO2的资源化转化,是实现自然界“碳循环”、缓解因CO2过度排放所引起诸多环境问题的关键技术。本文综述了CO2电还原反应器的研究发展现状,并依据电解质的不同对比分析了各反应器的结构、传质特征及与之匹配阴极的CO2转化活性与选择性。研究指出膜电极构型反应器是当前CO2电还原反应器发展的主要方向,其电解质材料的优选不仅决定于其离子选择性与电导率,还需考虑电催化材料的性质与膜电极效率。最后,提出膜电极构型反应器内的过程强化技术与自支撑结构的阴极设计将成为CO2还原研究发展的新方向。

面向微污染水处理的三重功能电催化炭膜制备及性能

以椰壳活性炭为原料,设计制备一种具有吸附、电催化氧化、膜过滤三重功能的电催化炭膜(TCM),通过调节原料配比、炭化温度以及原料活性炭的粒径实现对TCM性能的调控。采用SEM、XRD、拉曼和氮吸附等技术对TCM的形貌与结构进行表征,并以TCM为阳极构建电催化膜反应器(ECMR),考察其水处理性能。结果表明,TCM具有发达的孔道结构和较高的比表面积,整体呈现出大孔-介孔-微孔的多级孔道结构,并具有良好的机械强度与导电性;改变活性炭的粒径可以有效调控TCM的孔道结构。TCM对水中微污染有机物和重金属离子均具有较高的吸附量;在外加2 V电压电场下,对水中亚铁氰化钾的氧化率为98.4%,表现出良好的电催化氧化活性;在低压电场的作用下处理真实微污染水时,炭膜的三重功能协同作用使其展现出优异的综合处理性能,其中COD、UV_(254)、浊度以及细菌的去除率分别达到了94.3%、90.5%、96.3%和100%,重金属离子几乎完全去除,出水水质得到显著地改善,并且水渗透通量有所提升,具有良好的抗污染性能。

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%.

电催化合成燃料反应技术研究发展现状

近年来碳排放逐年增加,将CO2转化为有用化学品的需求更加迫切。电化学还原CO2可实现CO2的资源化转化,是实现自然界“碳循环”的关键技术。综述了微流体电解池,H型电解池和膜电极构型电解池这几种电化学还原CO2反应器及其核心部件的研究进展,指出了膜电极构型反应器在实现CO2规模化转化中的优势;通过对比分析膜电极反应器的核心组成部分电解质膜,电解液与催化层的发展与应用现状,明确了具有阳离子交换膜与KHCO3液层复合电解质的反应器是现阶段实现CO2规模化转化的优选。通过分析KHCO3液层中HCO3-形成与解离的循环,指出该循环的闭合程度显著影响CO2电还原的活性与产物分布,KHCO3液层的结构设计与其中传质与反应机理的探索和无黏结剂自支撑催化剂的研发将是这类反应器进一步发展的主要方向。

活性炭基微孔炭膜制备及电化学性能

分别以高比表面积(860 m^2/g)活性炭和煤粉为原料,辅以煤沥青、羧甲基纤维素(CMC)为粘结剂,聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为造孔剂,采用压膜成形和焙烧工艺制备活性炭基炭膜(ACM)和煤基炭膜(CM),借助SEM、TG和电化学工作站等手段对炭膜结构与性能进行了表征.同时,采用溶胶凝胶法制备TiO2/ACM和TiO2/CM复合膜电极,探索其电催化水处理性能.结果表明,改变造孔剂含量可以有效调控炭膜孔径尺寸及分布,所制备微孔炭膜孔径范围0.16~0.82μm.与TiO2/煤基炭膜(TiO2/CM)复合膜电极相比,TiO2/ACM复合膜电极具有更高的比表面积(55.9 m^2/g)、更优的电化学活性和电催化效率.以TiO 2/ACM复合膜电极为阳极构建电催化膜反应器(ECMR)对苯酚废水(COD为2 450 mg/L)处理,当电流密度为1 mA/cm^2、停留时间为12 min时,COD去除率高达92.4%.

纳米零价铁强化微生物电催化-厌氧膜生物组合反应器抗膜污染能力及其调控机制

膜污染是厌氧膜生物反应器(anaerobic membrane bioreactor,AnMBR)产业化应用面临的最大挑战.本研究构建新型微生物电催化(bio-electrochemical systems,BES)-AnMBR组合反应器,以探究纳米零价铁(nano-zero-valent iron,nZVI)投加对BES-AnMBR组合系统膜污染削减和甲烷产生等性能的影响.结果表明,BES-AnMBR组合系统运行稳定,COD去除率一直维持在95%左右.nZVI投加量(以VS计)为0.1 g·g^-1时,运行性能最佳,跨膜压差(transmembrane pressure,TMP)较对照组降低28.1%,膜通量亦有轻微增加;甲烷产量为81.3 mL·g^-1(以CODremoved计),较对照组提高了12.1%.胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)变化和膜阻过滤分析表明,nZVI可以加强EPS分解,促进膜表面无机和有机富铁结垢层形成,改善膜污染分布特征,从而显著缓解膜污染.本研究将丰富传统AnMBR的基础理论,为污泥处理与资源化利用提供了新视角.

酚醛树脂/活性炭基微孔炭膜制备及结构调控

以酚醛树脂和活性炭为主要原料,甲基纤维素为黏结剂,聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为造孔剂,采用压模成型及一步炭化法制备高比表面积酚醛树脂/活性炭炭基微孔炭膜(PRCM),通过调节原料配比及制备工艺参数等实现微孔炭膜结构的可控制备.结果表明,当酚醛树脂质量分数为45%,炭化温度1150℃,PVB添加质量分数20%时,酚醛树脂/活性炭微孔炭膜的抗折强度、电导率、孔隙率、纯水通量和比表面积分别为8.2 MPa、400.3μS/cm、44.2%、93 L/(m^2·h)和370.2 m^2/g.此外,采用溶胶-凝胶法将纳米TiO2负载微孔炭膜制备电催化膜电极(TiO2/CM).在相同配比和制备工艺条件下,对比煤基、煤沥青/活性炭以及酚醛树脂/活性炭三种原料所制备电催化炭膜的电化学和电催化降解苯酚性能.结果显示,TiO2/PRCM具有最优的电化学活性和催化降解效率.以其所构建的ECMR处理10 mmol苯酚废水时,COD和苯酚去除率分别可达86.5%和94.6%.这是因为PRCM具有较高的比表面积和石墨化程度,导致其具有较高的催化效率.酚醛树脂/活性炭炭基微孔炭膜在含酚废水过程中展现了良好的电化学和机械性能.