掺硼金刚石电催化降解直接蓝86的研究
电催化氧化法是一种环境友好、高效的水处理技术，在催化处理难降解有机污染物方面有很强的优势。电催化氧化法的核心是电极材料，它对降解效率和降解途径有着重要的影响。与其他传统电极材料相比，掺硼金刚石（BDD）电极具有最佳的综合性能，如高析氧电位、低背景电流以及优异的物理及化学稳定性。但基于BDD电极的电催化氧化工艺（简称BDD工艺）涉及众多操作参数，对应的工艺优化工作量很大。基于此考虑，本文提出采用确定性筛选设计（DSD）和中心复合旋转设计（CCRD）两类试验设计学方法来考察和优化BDD降解直接蓝86（DB86）的工艺参数。实验首先利用DSD考察了九个因素（NaCl浓度、NaBr浓度、Na2SO4浓度、NaNO3浓度、Na2CO3浓度、Na3PO4浓度，施加电流密度，流速，DB86初始浓度）对DB86脱色率的影响，筛选得出五个影响最为显著的因素，之后利用CCRD做进一步优化，得出回归模型并找出最佳降解条件。实验结果证实了DSD和CCRD在电催化氧化过程优化中的高效性和实用性，同时两种试验统计学方法相结合有助于极大地减少实验次数（尤其是涉及众多变量的实验）。最后，利用液质联用分析的结果推导出直接蓝86在BDD电极上的降解机理。
目录
摘要3
关键词3
Abstract3
Key words3
1 引言4
2实验材料与方法5
2.1实验所用试剂与仪器5
2.2实验流程与分析方法6
2.3实验设计与分析7
2.4量子化学统计方法(Chem 3D)9
3结果与讨论9
3.1 DSD以及RSM对实验过程的优化9
3.1.1 DSD统计分析10
3.1.2 CCRD统计分析11
3.2试验结果分析13
3.2.1响应曲面分析13
3.2.2最优降解条件分析14
3.3机理的研究15
4结论17
致谢18
参考文献18
掺硼金刚石电催化降解直接蓝86的研究
引言
1 引言
染料合成、印染等行业产生的染料废水是水处理领域公认的最难处 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
理的废水之一，它有机物含量高、化学需氧量 (COD) 高、色度高、成分复杂、盐份含量高，不易用常规工艺处理。考虑到其对水环境造成的严重危害，染料废水处理问题一直备受关注[12]。在染料化合物中，DB86是一种印染厂常用的染料，其分子中含有酞菁结构，故被归类于酞菁类染料。DB86的化学式为 C32H14CuN8O6S2Na2，其他常用中文及英文名称为直接耐晒翠蓝GL；直接耐晒翠蓝GB；Direct blue 86；Direct fast turquoise blue GL；acid blue 87，分子量 780.16，CAS号为1330387。结构式如图1所示。
图1 DB86分子结构式
Fig.1. Molecular structural formula of direct blue 86
由于DB86分子结构稳定，其废水处理难度较大。目前，已报导的用于DB86降解的工艺主要有物理吸附、生物降解、TiO2光催化降解、臭氧联合紫外线降解、等离子体(CGDE)降解等[35]，但均存在各种缺点。如对DB86的处理效果不够好，操作条件过于苛刻，或者是难以扩大应用范围。因此，发展新型高效处理含DB86废水的水处理方法也就显得至关重要。
电催化氧化技术是近年来发展起来的新型高级氧化工艺。它是通过有催化活性的电极反应，产生大量的含氧自由基（如?OH、?OH2等），利用自由基的强氧化性实现对废水中难降解污染物的有效降解[6]。随着人们对环境科学认识的深入以及对环保要求的提高，电化学水处理技术因其独特的优越性，如：多功能性、高度清洁性和选择性、设备简单且灵活性强、可以很好地与其他工艺联用等引起广大环保工作者的研究兴趣。同时，针对电化学工艺存在的一些缺点，如：处理时间或效率问题、电极寿命或稳定性问题等，研究者们近年来着力于高电催化活性的电极材料的研制，电极材料结构和电催化活性关系、优化反应器设计等方面的研究[78]。其中，作为电化学反应器核心组件的电极材料对电化学降解影响最大[9]。与目前常用的一些电极材料（石墨电极、贵金属电极、普通金属电极和DSA电极等）相比，BDD电极具有最宽的电势窗口、最高的电流效率，最强的阳极氧化能力、抗腐蚀性、污染能力，是目前水处理领域最有发展前景、引起最广泛关注的功能材料[1012]。现如今，BDD电化学氧化技术已成为能够最高效处理染料废水的方法之一。但迄今尚未有应用此方法催化降解DB86的报道，因此，进行有关开发DB86的电化学降解的研究也就很有价值。但是，这种电化学氧化降解反应的效率还受很多工艺因素的影响，如支持电解质的种类和浓度、施加电流密度、温度、流速、反应时间、pH值、电极间距等[13]。因此，当反应的影响因素很多时就需要优化实验过程，减少实验次数来提高实验效率。
试验设计（design of experiments，DOE）是一种安排实验和分析实验数据的数理统计方法，它能够优化实验过程，降低试验次数和实验周期，提高实验效率[14]，同时也可以考察因素的主效应及因素间的交叉效应。实验最初期需要考虑的影响因素较多，故对应的实验次数会大幅度增加（可行性就会降低）。所以对于大多数DOE方法，采用的操作因素的数量通常限制在5以内[1517]，超过5个因素时，可以采用统计筛选方法进行因素的筛选，从而筛选出显著因素，排除次要因素[18]。之后对重要因素进行重点优化，最后验证实验结果。总的来说，DOE主要对实验进行合理安排，以较小的实验规模，以及较低的实验成本获得理想的实验结果和正确的结论。
目前关于确定性筛选设计的文献还比较少，还需要进一步的研究来证实该方法的有效性、适用性。因此，本研究中利用确定性筛选设计联合中心复合旋转设计，来研究BDD工艺降解DB86染料模拟废水，优化其降解条件，同时还利用液质联用以及量子化学计算软件得到的分析结果推导出了DB86的降解机理。
2 实验材料与方法
2.1实验所用试剂与仪器
本实验所用的试剂和仪器分别如表1、表2所示。
表1 实验试剂
Table 1 Expermental agents
试剂名称
规格
生产厂家
DB86
目录
摘要3
关键词3
Abstract3
Key words3
1 引言4
2实验材料与方法5
2.1实验所用试剂与仪器5
2.2实验流程与分析方法6
2.3实验设计与分析7
2.4量子化学统计方法(Chem 3D)9
3结果与讨论9
3.1 DSD以及RSM对实验过程的优化9
3.1.1 DSD统计分析10
3.1.2 CCRD统计分析11
3.2试验结果分析13
3.2.1响应曲面分析13
3.2.2最优降解条件分析14
3.3机理的研究15
4结论17
致谢18
参考文献18
掺硼金刚石电催化降解直接蓝86的研究
引言
1 引言
染料合成、印染等行业产生的染料废水是水处理领域公认的最难处 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
理的废水之一，它有机物含量高、化学需氧量 (COD) 高、色度高、成分复杂、盐份含量高，不易用常规工艺处理。考虑到其对水环境造成的严重危害，染料废水处理问题一直备受关注[12]。在染料化合物中，DB86是一种印染厂常用的染料，其分子中含有酞菁结构，故被归类于酞菁类染料。DB86的化学式为 C32H14CuN8O6S2Na2，其他常用中文及英文名称为直接耐晒翠蓝GL；直接耐晒翠蓝GB；Direct blue 86；Direct fast turquoise blue GL；acid blue 87，分子量 780.16，CAS号为1330387。结构式如图1所示。
图1 DB86分子结构式
Fig.1. Molecular structural formula of direct blue 86
由于DB86分子结构稳定，其废水处理难度较大。目前，已报导的用于DB86降解的工艺主要有物理吸附、生物降解、TiO2光催化降解、臭氧联合紫外线降解、等离子体(CGDE)降解等[35]，但均存在各种缺点。如对DB86的处理效果不够好，操作条件过于苛刻，或者是难以扩大应用范围。因此，发展新型高效处理含DB86废水的水处理方法也就显得至关重要。
电催化氧化技术是近年来发展起来的新型高级氧化工艺。它是通过有催化活性的电极反应，产生大量的含氧自由基（如?OH、?OH2等），利用自由基的强氧化性实现对废水中难降解污染物的有效降解[6]。随着人们对环境科学认识的深入以及对环保要求的提高，电化学水处理技术因其独特的优越性，如：多功能性、高度清洁性和选择性、设备简单且灵活性强、可以很好地与其他工艺联用等引起广大环保工作者的研究兴趣。同时，针对电化学工艺存在的一些缺点，如：处理时间或效率问题、电极寿命或稳定性问题等，研究者们近年来着力于高电催化活性的电极材料的研制，电极材料结构和电催化活性关系、优化反应器设计等方面的研究[78]。其中，作为电化学反应器核心组件的电极材料对电化学降解影响最大[9]。与目前常用的一些电极材料（石墨电极、贵金属电极、普通金属电极和DSA电极等）相比，BDD电极具有最宽的电势窗口、最高的电流效率，最强的阳极氧化能力、抗腐蚀性、污染能力，是目前水处理领域最有发展前景、引起最广泛关注的功能材料[1012]。现如今，BDD电化学氧化技术已成为能够最高效处理染料废水的方法之一。但迄今尚未有应用此方法催化降解DB86的报道，因此，进行有关开发DB86的电化学降解的研究也就很有价值。但是，这种电化学氧化降解反应的效率还受很多工艺因素的影响，如支持电解质的种类和浓度、施加电流密度、温度、流速、反应时间、pH值、电极间距等[13]。因此，当反应的影响因素很多时就需要优化实验过程，减少实验次数来提高实验效率。
试验设计（design of experiments，DOE）是一种安排实验和分析实验数据的数理统计方法，它能够优化实验过程，降低试验次数和实验周期，提高实验效率[14]，同时也可以考察因素的主效应及因素间的交叉效应。实验最初期需要考虑的影响因素较多，故对应的实验次数会大幅度增加（可行性就会降低）。所以对于大多数DOE方法，采用的操作因素的数量通常限制在5以内[1517]，超过5个因素时，可以采用统计筛选方法进行因素的筛选，从而筛选出显著因素，排除次要因素[18]。之后对重要因素进行重点优化，最后验证实验结果。总的来说，DOE主要对实验进行合理安排，以较小的实验规模，以及较低的实验成本获得理想的实验结果和正确的结论。
目前关于确定性筛选设计的文献还比较少，还需要进一步的研究来证实该方法的有效性、适用性。因此，本研究中利用确定性筛选设计联合中心复合旋转设计，来研究BDD工艺降解DB86染料模拟废水，优化其降解条件，同时还利用液质联用以及量子化学计算软件得到的分析结果推导出了DB86的降解机理。
2 实验材料与方法
2.1实验所用试剂与仪器
本实验所用的试剂和仪器分别如表1、表2所示。
表1 实验试剂
Table 1 Expermental agents
试剂名称
规格
生产厂家
DB86
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