臭氧和过氧化氢高效电化学协同产生的规律及机理研究

本项目针对传统的电化学阳极氧化分解水产臭氧技术和阴极还原氧产过氧化氢技术存在能耗较高及较多副反应的缺点，提出了耦合阳极分解水产臭氧及阴极还原氧产过氧化氢的电化学技术，并通过研究电解池配置方法、电极材料表征及电化学过程分析等深入研究臭氧和过氧化氢协同产生的规律和机制。 项目按照计划内容实施，系统研究了电解池配置方法、电解参数、电极材料制备及修饰对臭氧和过氧化氢产生效率的影响，阐明了臭氧和过氧化氢协同产生的规律。结果发现，通过施加氟掺杂氧化锡中间层，能极大提高镍锑掺杂二氧化锡电极的稳定性，寿命可达1800小时；溶胶凝胶法制备的掺杂二氧化锡电极结构和稳定性优于涂覆热解工艺；而通过控制涂敷热解制备工艺中的干燥时间可以提高掺杂二氧化锡电极的活性。然而通过掺杂银或者铈，或者用铋代替锑，或者用PTFE复合均难以达到提高镍锑掺杂二氧化锡电极产臭氧的活性。空气扩散阴极基底材料和制备工艺对氧还原制备过氧化氢有较大的影响，研究优化了该制备工艺。同时通过蒽醌修饰该空气扩散阴极可以提高氧气还原产过氧化氢的性能最大达2.2倍。同时通过研究电解过程中产生的自由基等中间产物，讨论了臭氧和过氧化氢协同产生的机理。在机理分析的基础上，通过掺杂二氧化锡阳极修饰强化了臭氧产生的性能，产臭氧的电流效率达到了26%。同时依据本项目耦合电化学技术中阴极反应和阳极反应，实现电化学技术的多功能化的学术思路，开展了微生物电化学系统的新功能开发研究，实现了微生物电化学系统协同处理有机废水和重金属废水或者处理有机废水和产氢，进一步拓展了研究领域。

传统的电化学阳极氧化分解水产臭氧技术和阴极还原氧产过氧化氢技术存在能耗较高及较多副反应的缺点。本项目基于前期实现了在同一个电解池中协同阳极产臭氧和阴极产过氧化氢的电流效率分别达到11%和28%的基础上，进一步深入研究臭氧和过氧化氢协同产生的规律及机理。. 课题通过研究阳极、阴极、电解质以及隔膜的不同配置方法对协同产生臭氧和过氧化氢的电流效率和能耗的影响，探讨臭氧和过氧化氢电化学协同产生的规律。通过电化学稳态极化曲线研究电极过程动力学，通过电化学暂态技术分析表证电极过程中的活性中间粒子，通过现代分析测试技术研究电极构效关系，结合反应的热力学平衡计算，阐明在同一电解池中协同产生臭氧和过氧化氢的机理及动力学规律。进而改进技术，进一步提高臭氧和过氧化氢协同产生的效率，降低能耗。. 通过该研究，将为臭氧和过氧化氢的高效电化学协同产生技术的放大和实用化提供理论依据并奠定实验基础。

申请者发现了缓蚀剂吸脱附诱导的电化学振荡现象，本项目从缓蚀体系平衡非线性特征出发，采用实验研究与理论模拟相结合的方法，研究这类新振荡的规律和机制，验证关于缓蚀体系中多重定态和自催化步骤的假定，建立非线性动力学数学模型，以阐明缓蚀体系的演化趋势和影响因素，深刻认识界面型缓蚀剂的作用机理，提出新缓蚀剂设计的指导原则。.

本研究包含超声波协同臭氧污水消毒技术的效果及机理、超声波协同次氯酸钠消毒技术的效果及机理和超声波协同紫外线（UV）污水消毒技术的效果及机理三个子课题，以北京市某城镇污水处理厂二级处理出水为对象，以基本水质参数、细菌总数、粪大肠菌群、沙门氏菌和SC噬菌体为主要监测指标，开展实验室及中试研究，探索开发污水消毒新技术和新工艺。 研究项目以研究超声波空化效应为基础，深入研究了与臭氧、次氯酸钠、紫外线和纳米ZnO消毒密切相关的水质指标在超声波作用下的变化情况、协同作用效果与消毒机理，研究了协同作用对微生物光复活影响，分析了超声波空化效应与协同作用效果的内在联系及相关性，为工艺的推广应用提供理论支持。 研究表明，超声波作用对水质参数有较大影响，其空化作用和机械剪切效应对水体消毒可以形成促进作用；超声波通过改善水体悬浮颗粒的粒径分布，破碎菌胶团以强化消毒剂的作用。超声波协同臭氧、次氯酸钠和紫外线消毒的效果明显优于消毒剂单独或者二者分别消毒效果之和，有明显的协同作用效应。超声波的加入可以降低约50%的次氯酸钠使用量和25%的臭氧投加量，提高消毒效率，缩短消毒作用时间，减少消毒副产物的生成。同时，超声波与消毒剂的协同作用，可有效抑制微生物的光复活，保证持续的杀菌能力，减少排放水体后潜在的生态安全风险。 本研究设计的超声波/紫外线一体化消毒装置已获得发明专利，研发的中试试验装置在国内尚属首次，运行监测结果表明，超声波能量密度为2.64kJ/L，UV剂量为24mJ/cm2，水力停留时间为30s时的协同消毒可以很好的适应水质波动的影响，出水粪大肠菌群指标满足排放标准，具有很好的实际应用价值和推广潜力。 2100433B