文摘
本研究评估一个创新的性能搭配光电化学氧化系统制造在我们实验室的去除效率聚乙烯醇(PVA)水的解决方案。创新型配对光电化学氧化系统采用金属氧化还原介质和高氧化还原电位阳极氧化过程(MEO)和紫外线协助光电化学氧化过程(PEO)在一个分裂的电化学阴极氧化细胞。几个参数进行了描述PVA的去除效率,如电流密度、初始Ce (III)浓度、硝酸浓度、氧气流量和紫外线照射强度。这些参数对特定的能源消费的影响也被研究。另外,转换产生的electrogeneration Ce (IV)浓度和H2O2在本研究计算。最佳电流密度、初始Ce (III)浓度、硝酸浓度、氧气流量、马和紫外线照射强度被发现是3厘米−2,0.01米,0.3米,500厘米3最小值−1和1.2兆瓦厘米−2,分别。MEO和PEO的组合过程的协同效应将会作为一个有前途的替代PVA的去除效率。
1。介绍
由于工业的快速发展,越来越多的聚合物用于各种工业产品,尤其是聚乙烯醇。聚乙烯醇(PVA)被广泛用作cotton-synthetic经大小混合在纺织工业和的分子结构(ch2ch(哦)n使其具有良好水溶性的1]。全球生产PVA几乎超过650000吨/年。它也用于偏振片的光在液晶显示器(lcd) [2]。然而,排出大量的PVA影响人类健康和自然环境(3),导致高的工业废水中化学需氧量(COD)。很难把废水含PVA产生无害的水和二氧化碳等产物。因此,PVA不利会影响生态系统并通过食物链在人体积累(4]。传统生物技术不含PVA的废水提供了一种有效的治疗,因为大多数微生物降解PVA非常特定的能力和限制5]。一种有效的方法治疗含PVA的废水必须发展。治疗PVA的废水,许多化学过程进行了调查,包括吸附(1,6,7),光催化降解过程(8- - - - - -11),化学氧化(12,13),电凝法(14],electro-Fenton [15]。然而,到目前为止,很少有研究的发展成对光电化学氧化系统治疗的PVA。
近年来,电化学处理技术已经应用于各种各样的方法来清洁环境,如阳极氧化,阴极还原,electro-Fenton过程(16- - - - - -18]。高级氧化过程(aop)和电化学氧化介导的(MEO)新技术治疗含有的有机化合物的工业废水。有前途的技术都可以采集矿物的有机物成无毒的二氧化碳和水19,20.]。aop基于代强氧化剂可以非选择性的羟基自由基降解有机污染物迅速(21]。过氧化氢在所有aop方法,经常被用来作为强大的氧化剂产生氧化废水的有机化合物(9,22- - - - - -24]。结合紫外辐照和H2O2过程可以有效地提高过氧化氢的氧化能力由于羟基自由基的产生,在反应中所示。紫外线/小时2O2过程也已经被证明是有效地降解有机化合物(25,26]。因此,光电化学氧化反应产生的羟基自由基是在阴极室(PEO)过程。
MEO技术提供了几个优势:容易操作,简单的设备,污泥产量少,氧化剂可以方便地重用,避免二次浪费的生产。在MEO过程中,中介离子是一种过渡金属,如钴、铈和银27- - - - - -30.]。这些介质可以从低氧化态到高氧化态氧化矿化有机复合物。在这些介质中,(IV)具有良好的氧化铈地产由于其较高的氧化还原电位(V)。然而,在传统的电化学阳极氧化系统,阴极室通常只减少了水和生成氢气。因此,有机物的去除效率不能得到有效的增加导致能源浪费。为了提高整体电流效率,我们将结合阳极室的MEO过程与PEO反应生成羟基自由基在阴极室形成配对光电化学氧化系统。我们所知,很少的工作已经在文献中报道到目前为止在PVA移除一个创新的配对光电化学氧化系统。
在目前的研究中,电流密度等参数,初始Ce (III)浓度、硝酸浓度、氧气流量和紫外线照射强度PVA去除效率的可行性进行了研究。技术有效的过程必须在经济上可行的关于其具体的能源消耗(SEC)和几乎适用于环境问题。的影响主要操作参数(电流密度、初始Ce (III)浓度、硝酸浓度、氧气流量,和紫外线照射)交会在最佳条件下进行评估。Ce (IV)的收益率的electrogeneration浓度和H2O2MEO过程在不同的操作参数的阳极室和阴极室的PEO过程也在这个研究调查。
2。实验
2.1。化学品和设备
六水合硝酸铈(III)是来自阿尔法蛇丘(美国)。聚乙烯醇(PVA,分子量在13000 - 23000克摩尔−1)是获得Sigma-Aldrich(美国)与水解度从99%到98不等。Na2所以4从默克公司(德国)购买,HNO吗3总经理(65%)获得了从沙劳打电话(西班牙)能够允。硫酸钛(IV)(24%)是购自昭和(日本)。硼酸(99.5%)是由默克公司和碘化钾(99.5%)和碘(99.5%)获得联盟化工有限公司(台湾)和Toyobo有限公司(日本),分别。所有化学试剂是分析纯试剂,并准备用去离子水稀释到所需的浓度。活性炭纤维(ACF)、聚丙烯腈基刚性复合碳毡系列,获得了来自台湾碳科技有限公司(台湾)。
图1是成对的光电化学系统的原理图和电极装置用于这项工作。阳极和阴极电解槽是0.5 L玻璃反应器配有水套和一个电磁搅拌器。阳极和阴极的电解池由324全氟磺酸膜隔开。电解池的温度是由连续控制循环水夹克从冷冻循环浴(模型bl - 720,台湾)。电磁搅拌器酒吧(Suntex sh - 301,台湾)是在反应器的底部的中心。铂阳极(6厘米2)和ACF阴极(20厘米2)在PVA水溶液浸5厘米的深度。在下面,所有实验使用Pt / ACF电极组合。氧气从一个氧气瓶是分散的底部的阴极。电流是由直流电源(psm - 6003,台中,台湾)。紫外线灯(8 W, UV-C,= 254海里,由制药denski、日本)作为辐射源,高于阴极反应堆。紫外线强度是衡量数字紫外线辐射仪(Rixen技术、台湾)。
2.2。和分析方法
实验在一个分裂的玻璃容器。在每个实验之前,电极与去离子水清洗。每一次测试运行期间,两个圆形容器,0.4 L的合成废水含有聚乙烯醇反应堆。然后,电磁搅拌器打开并设置在300转;这搅拌器速度足够好的混合电解池。1000毫克的ACF觉得饱和L−1PVA溶液24 h排除PVA在ACF的吸附反应的感受。直流电源是恒电流密度的操作1,2,3,4,5厘米−2。一个常数Ce (III)浓度(0.001米到0.02米)和HNO3浓度(0.1米到0.5米)调整在阳极室实验。阴极室是美联储的氧气流量100到900厘米3最小值−1和紫外线强度(0到1.2 mW厘米−2)是由紫外线灯在控制实验。成对的光电化学系统治疗运行在所有实验持续了120分钟。电解前,10分钟的氧气是充溢饱和水溶液;然后,电力被打开,成对的光电化学反应同时开始。样本绘制从反应堆在默认的时间间隔,然后分析。
H2O2使用Ti(浓度决定4)2滴定法和光谱分析= 410 nm (31日]。Ce (IV)浓度定量确定使用硫酸亚铁铵溶解在硝酸(0.005米32]。理论上的Ce (IV)生成依赖于电力应用的数量。根据法拉第电解定律,Ce (IV)的理论生产数量()在电解时间可以计算如下(33]: 在哪里是Ce的分子量;是当前应用;是电子转移/ Ce (III)离子(在);和是法拉第常数。
定量测定PVA浓度的水溶液进行了使用哈希模型DR2800分光光度计(美国)后添加硼酸和碘的解决方案根据芬利[描述的过程34]。获得的一份校准曲线绘制吸光度值在680 nm聚乙烯醇浓度。PVA破坏的计算效率成对光电化学治疗后进行使用以下公式: 在哪里mg L初始浓度−1,集中值在时间吗在毫克L−1,处理废水的初始体积的升,然后呢处理废水时的体积吗在升。所有的样本评估至少第五确保数据再现性,和一个额外的测量在必要时进行。
3所示。结果与讨论
3.1。电流密度的影响
电流密度是一个重要的操作因素强烈控制电化学反应速率的工程。它决定了electrogeneration Ce (IV)从最初的Ce (III)的阳极MEO过程和electrogeneration H2O2由阴极PEO成对光电化学氧化体系的过程。阳极MEO过程的机理和阴极PEO过程移除PVA表现如下。对阳极过程: 的阴极过程:
电流密度的影响在PVA去除效率研究了阳极和阴极室1,2,3,4,5厘米−2。图2(一个)表示不同电流密度对去除效率的影响PVA的阳极和阴极室。随着电流密度的增加,PVA删除效率增加。电解后120分钟,可以看到从图2(一个)PVA在阳极室的去除效率为51.2%,62.7%,77.8%,79.3%,和80.4%,阴极室为20.8%,27.7%,29.4%,31.6%,和32.8%的电流密度,1,2,3,4,5厘米−2,分别。根据(3)、Ce (III)可以减少electrooxidized Ce (IV)在阳极室,如表所示1。因此,Ce (IV)可以重用的氧化剂PVA的不断去除,避免了二次废物的产生。在阴极室,electrogenerated H2O2被紫外光催化对羟基自由基,这是非常强大的氧化物种。这些羟基自由基可以有效地氧化PVA。如表所示1,显著提高H2O2观察收益率随着电流密度增加;因此有更多代羟基自由基氧化PVA。然而,没有明显改善PVA观察去除效率,而电流密度增加从马3到5厘米−2。
(一)
(b)
为了获得最佳电流密度有关能源效率时,特定的能源消耗(SEC) (35]删除1公斤PVA在指定特定的电流计算如下: 在哪里,,应用电压(V),当前的(A),分别和电解时间(分钟)。此外,(毫克升−1初始浓度,(毫克升−1)浓度在时间的值,(左)是初始体积的废水处理,和(左)是处理废水时的体积。合理的去除效率和相对较低的能源消耗是下面的决定。图2 (b)还显示美国证交会120分钟后阳极和阴极室的价值观在不同电流密度电解。它可以明显看到,增加电流密度对SEC有显著的影响。当电流密度不同的马从1到5厘米−2在美国证券交易委员会(SEC),我们观察到的一个戏剧性的增加价值从1.4千瓦时公斤−117.4千瓦时公斤−1在阳极室和2.4千瓦时公斤−137.7千瓦时公斤−1在阴极室PVA去除。然而,随着电流密度的增加从马3到5厘米−2阳极和阴极PVA去除效率略有增加,而相应的电力能源消耗增加了近2倍。因此,当考虑电能消耗和PVA去除效率、马3厘米−2提供了最好的妥协,提供一个合理的PVA去除效率和电能消耗相对较低。
3.2。删除PVA在阳极室
3.2.1之上。最初的Ce (III)浓度的影响
在这项研究中,最初的Ce (III)浓度的影响,研究了PVA去除效率为0.001,0.0025,0.005,0.01,和0.02米,如图3(一个)。电解的120分钟后,我们观察到,PVA去除效率达到38.6%,51%,56%,77.8%,80.1%,初始Ce (III)浓度的0.001,0.0025,0.005,0.01,和0.02 M,分别。这种现象可能是来自动力Ce (III)的增加传质和电解液导电率同时增加初始Ce (III)浓度。当最初的Ce (III)浓度增加,Ce (IV)离子浓度也增加,如图3 (b)。然而,如果最初的Ce (III)浓度高于0.01米,PVA的去除效率没有显著增加。
(一)
(b)
为了评估初始Ce (III)浓度的影响在特定的能源消耗和PVA去除效率,许多实验进行120分钟后电解保持电流密度时,溶液温度和阳极支持电解质马在3厘米−2、323 K和0.2 HNO3在阳极室;氧气流量、紫外线强度和阴极支持电解质在500厘米3最小值−1,0.4 mW厘米−2,0.05 Na2所以4在阴极室。图3 (b)还显示了初始Ce (III)浓度的影响在美国证券交易委员会(SEC)配对光电化学氧化系统。如图,SEC减少从9.4千瓦时公斤−16.8千瓦时公斤−1当最初的Ce (IV)浓度从0.001增加到0.02米。虽然有显著下降的趋势SEC虽然最初的Ce (III)浓度增加,美国证交会没有明显改变通过增加Ce (III)离子浓度从0.01到0.02米。因此,最初的Ce (III)的浓度0.01提供了该系统的最优性能;它提供了一个合理的PVA的去除效率和相对较低的电能消耗。
3.2.2。硝酸浓度的影响
为支持电解质电化学治疗需要盐或酸,使解决方案更多的导电。相比,低溶解度的硫酸铈、硝酸通常选择在过去的引用(20.,29日,36]。因此,硝酸被用作阳极支持电解质溶液电导率增加,从而降低美国证券交易委员会(SEC)在目前的研究。为了减少环境污染,我们使用一个相对低的酸浓度。对PVA去除效率的影响不同硝酸从0.1到0.5米的进行了研究,如图4(一)。观察到,去除效率增加硝酸的浓度增加阳极室。经过120分钟的电解,40.8%,77.8%,80.1%,82.2%,和83.5%的原始PVA被硝酸浓度的0.1,0.2,0.3,0.4,和0.5 M,分别。硝酸是强氧化剂和Ce (IV)的生成。图4 (b)还表示,Ce (IV)收益率随着硝酸浓度的增加而增加。随着Ce (IV)产量增加,PVA去除效率也增加。然而,如果硝酸的浓度高于0.3米,PVA的去除效率没有显著增加。
(一)
(b)
支持电解质的浓度调整通过添加适量硝酸阳极室。图4(一)也表明硝酸浓度的影响在PVA去除效率和SEC在成对的光电化学氧化系统。图4(一)还表明,SEC减少从13.1千瓦时公斤−15.4千瓦时公斤−1当硝酸的浓度从0.1增加到0.5米。观察到,美国证券交易委员会(SEC)显著下降近60%。虽然有显著下降的趋势SEC硝酸浓度增加时,美国证交会并没有显著改变通过增加酸浓度从0.3到0.5米。因此,0.3硝酸浓度提供了最佳的去除效率之间的平衡的具体能源消耗。
3.3。删除PVA在阴极室
3.3.1。氧气流量的影响
在这项研究中,H的收益率2O2通过在阴极氧还原electrogeneration显著影响阴极室的PVA去除效率。氧气流量的影响,研究了PVA去除效率在100到900厘米3最小值−1,如图5(一个)。增加氧气流量,显著增加PVA去除效率观察,表明氧气流量的增加提高了PVA去除率。经过120分钟的电解,氧气流量增加从100年开始,300,500,700,900厘米3最小值−1PVA被显著的浓度,增加从19.3,24.8,29.1,30.8和31.8%,分别。这个原因是,氧气流量增加时,溶解氧的浓度和溶氧的传质速率增加,从而加速electrogeneration H2O2这是离解成更多的羟基自由基。因此,羟基自由基可以氧化PVA提高去除效率。图5 (b)证明的electrogeneration H2O2的氧气流量的增加而增加。然而,氧气流量的500厘米以上3最小值−1氧和氢2O2浓度是一个稳定的趋势。结果表明氧的饱和溶解度在水溶液几乎完成氧气流量的500厘米3最小值−1(37]。探讨最优氧流量,能源消耗率的性能在一定的氧气流量在这个系统评估;这些结果有以下部分。
(一)
(b)
PVA溶液治疗使用成对的光电化学氧化系统在氧气流速的范围100到900厘米3最小值−1确定最佳的去除效率和特定的能源消耗。氧气流量对去除效率的影响和具体的能源消耗是如图5(一个)。具体的能源消耗显著降低了大约50%,氧气流量时从100增加到900厘米3最小值−1,而相应的PVA在阴极室去除效率从19.3%上升到31.8%。然而,当氧气流量从500增加到700,900厘米3最小值−1,具体的能源消耗略有下降16.9到16岁和15.6千瓦时公斤−1分别,而相应的PVA在阴极室去除效率从29.1%上升到31.8%,分别。因此,在去除效率的考虑和具体能耗值PVA在阴极室,500厘米的氧气流量3最小值−1提供了最好的性能,合理的去除效率和相对较低的能源消耗率。
3.3.2。紫外线辐射强度的影响
强烈的紫外线辐射强度是一个重要的因素控制生成羟基自由基的浓度。在这项研究中,紫外线强度的影响在PVA去除效率和SEC调查0,0.4,0.8,和1.2 mW厘米−2,如图6(一)。经过120分钟的电解,观察到的最大PVA去除效率在1.2 mW厘米被发现−2。PVA去除效率达到19.9%,29.1%,33.3%,38.5%,紫外线强度为0,0.4,0.8,和1.2 mW厘米−2,分别。看来增加紫外线强度增加了PVA去除效率。这个实验结果解释说,高紫外线强度可以提高生成羟基自由基清除PVA的解决方案(22,23]。一方面,氢的光解速度被限制在较低紫外线强度,导致减少PVA去除效率。图6 (b)显示生成过氧化氢的浓度在不同的紫外线强度。如图6 (b),经过120分钟的电解,15.8%,14.5%,13.6%,和12.4%的紫外线强度的过氧化氢生成0,0.4,0.8,和1.2 mW厘米−2,分别。很明显,增加紫外线强度可以有效地增加羟基自由基的生成,导致过氧化氢减少。因此,在更高的紫外线强度的羟基自由基生成反应细胞被发现。
(一)
(b)
图6(一)还显示紫外线强度的影响在PVA去除效率和特定的能源消费在120分钟后成对电解的光电化学氧化系统。美国证券交易委员会(SEC)值从22千瓦时公斤下降−115.4千瓦时公斤−1当紫外线强度从0增加到1.2 mW厘米−2,而相应的PVA去除效率显著增加从19.9%降至38.5%。因此,在考虑美国证券交易委员会(SEC)值和PVA在阴极室去除效率,紫外线强度为1.2 mW厘米−2提供了最好的整体性能与合理的PVA去除效率和相对较低的秒值。
4所示。结论
摘要Ce (III)在硝酸介质的阳极MEO过程和electrogeneration H2O2在酸性介质进行使用划分电化电池阴极PEO捏造在我们的研究中。PVA锡水的去除效率解决方案通过这种创新配对photo-electrochemical氧化系统在阳极室和阴极室条件调查,分别。各种操作参数,如电流密度、初始Ce (III)浓度、硝酸浓度、氧气流量,和紫外线照射强度进行了研究。收益率的Ce (IV)浓度和H2O2MEO过程在不同的操作参数的阳极室和PEO过程的阴极室也被计算。马3厘米的电流密度−2被认为是最优的一个合理的PVA去除效率相对较低的能源消耗率。考虑到去除效率和SEC,最初的Ce (III)的浓度0.1 M,硝酸浓度的0.3米,氧气流量的500厘米3最小值−1和紫外线照射1.2 mW厘米−2被发现是本研究的最优值。结果表明,一个创新的成对的光电化学氧化系统,结合阳极MEO过程和阴极PEO的过程,将被视为一个潜在的替代去除PVA水溶液。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突与任何金融组织关于本研究讨论的材料。
确认
作者要感谢美国国家科学委员会的台湾,中华民国,号合同下的财务支持本研究。nsc101 - 2628 - e - 241 - 013 - my3。