基于金属单原子/原子簇分散多孔碳电极的电Fenton过程及强化机理
批准号:
21936002
项目类别:
重点项目
资助金额:
302.0 万元
负责人:
全燮
依托单位:
学科分类:
环境化学
结题年份:
2024
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
全燮
中文摘要
毒性有机污染物(如持久性有毒物质PTS等)的去除是水处理领域重点和难点课题。Fenton反应可产生高活性·OH,能有效分解毒性有机污染物,但存在反应须在酸性条件下进行,产生铁泥,造成二次污染等问题。电Fenton技术能够克服上述问题,但原位产生H2O2的效率低和H2O2活化生成·OH效率低是实用化的瓶颈。本项目以提高H2O2产率和电Fenton反应效率为目标,拟设计、制备具有高效、稳定催化O2还原产H2O2、活化H2O2生成·OH的金属单原子/原子簇分散多孔碳电极,揭示单原子/原子簇催化O2还原产H2O2、活化H2O2生成·OH的强化机理与多孔碳协同作用机制,构建电Fenton水处理装置,通过实际废水处理评价其毒性污染物分解和毒性削减性能以及经济性和实用性。本项目为设计制备高效、低耗、稳定的电Fenton电极材料提供理论依据,为推动电Fenton技术从基础研究向工程应用的转化提供理论基础。
英文摘要
The removal of toxic organic pollutants,such as persistent toxic substances (PTS), which are strongly resistant to conventional biological and physiochemical technologies, is a big challenge in the field of water and wastewater treatment. Fenton reaction, as an advanced oxidation process (AOPs), is promising for the removal of toxic organic pollutants. Fenton reaction can produce highly active oxidation radicals, namely hydroxyl radicals from H2O2 conversion, which can oxidize and mineralize most organic pollutants. Nevertheless, the traditional homogeneous Fenton reaction is restricted to acidic conditions (pH < 3) and will produce large amount of ferric sludge, which are the main obstacles in the practical application. Electro-Fenton reaction could overcome these obstacles, and become an attractive technology for degradation of organic pollutants. However, it is still suffering from low efficiency, which leads to its meaningless for practical application. In the Electro-Fenton reaction, the efficiency of pollutants degradation is highly dependent on the yield of H2O2, which is electrochemically generated in situ from O2 reduction on the cathode, and conversion of H2O2 to hydroxyl radicals, which can degrade organic pollutants. Aiming at improving the yield of H2O2 and the efficiency of electro-Fenton, this project is going to (1) design and fabricate porous carbon electrode with atomically dispersed metal sites for highly efficient and stable in situ H2O2 production from O2 reduction and hydroxyl radical generation from H2O2 conversion, (2) elucidate the mechanism of Electro-Fenton reaction enhancement by porous carbon with atomically dispersed metal sites, (3) develop relevant water treatment devices to explore the feasibility of their practical applications, and evaluate their performance in selected PTS or PPCPs removal and toxicity reduction. This work will provide a new insight into design of highly efficient and low-cost electro-Fenton catalysts, and provide theoretical basis for the practical application of the electro-Fenton reaction in water and wastewater treatment.
毒性有机污染物的去除是水处理领域重点和难点课题。Fenton反应能够产生高活性的•OH,从而有效分解毒性有机污染物,但存在pH适应范围窄、需在酸性条件下进行,并且会产生铁泥,导致二次污染等问题。电Fenton技术通过反应体系合理的设计有望克服上述问题,但其性能受限于原位生成H2O2及活化H2O2生成•OH的效率。为此,本项目以提高电催化氧还原合成H2O2与电活化H2O2生成•OH效率为目标,开展了基于高性能过渡金属单原子/原子簇催化电极的电Fenton过程及强化机理的研究,取得如下创新成果:(1)创建了金属单原子电催化氧还原合成H2O2性能调控方法。基于密度泛函理论计算,提出以*OOH和*H吸附能为双描述符的性能调控方法,通过优化金属单原子催化中心、配位环境及碳载体性质,显著提升了电合成H2O2的活性与选择性。在连续流运行模式下,达到1200mAcm-2的电流密度,实现大于90%的电流效率,以及高达14.4wt%的H2O2直接产出浓度,处于已报道的最好水平。(2)提出了铁原子簇及铁单原子电极活化H2O2产•OH的新方法。通过增强H2O2吸附并降低其活化能垒,显著提高了H2O2转化为•OH的选择性和产率。建立了双金属原子活性位点协同定向调控氧还原电子转移数的新方法。所研发的铁钴单原子非均相电Fenton过程可在近中性条件下运行,且不产生铁泥,其污染物降解性能优于相同铁催化剂剂量下的均相Fenton体系。(3)建立了单原子催化电极的可规模化制备方法,成功研制500cm2尺寸电极及其电合成H2O2电解槽,单套电解槽在100A运行电流下,电压仅为3.1V,可稳定连续产出H2O2,其合成H2O2的运行成本接近市售产品。采用电Fenton耦合阳极氧化反应器,在pH中性和不产生铁泥的情况下,对焦化废水、炼油废水等工业废水二级出水的深度处理能耗最低仅为0.7kWht-1,达到实用化水平。本项目成果为电Fenton技术的实际应用奠定了理论基础,为毒性难降解有机废水处理过程的提质增效提供了新的技术途径。
膜分离与电化学耦合方法及其在水污染控制中的应用原理
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批准号:21437001
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项目类别:重点项目
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资助金额:350.0万元
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批准年份:2014
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负责人:全燮
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依托单位:
天然含盐水体中多氯代有机物的光化学形成机理
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批准号:41071307
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项目类别:面上项目
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资助金额:38.0万元
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批准年份:2010
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负责人:全燮
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依托单位:
第五届全国环境化学大会
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批准号:20947401
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项目类别:专项基金项目
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资助金额:4.0万元
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批准年份:2009
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负责人:全燮
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依托单位:
功能性微纳米材料在水污染控制中的应用方法与原理
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批准号:20837001
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项目类别:重点项目
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资助金额:185.0万元
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批准年份:2008
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负责人:全燮
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依托单位:
TiO2纳米管光催化/超滤一体化膜的制备及水处理特性
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批准号:50778033
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项目类别:面上项目
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资助金额:33.0万元
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批准年份:2007
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负责人:全燮
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依托单位:
地表水中光敏腐殖酸络合物的电泳分离及对农药光解作用
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批准号:20477005
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项目类别:面上项目
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资助金额:26.0万元
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批准年份:2004
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负责人:全燮
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依托单位:
水体颗粒物中铁形态及对典型有机污染物的光解作用
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批准号:20177003
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项目类别:面上项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2001
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负责人:全燮
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依托单位:
表层土壤半导体物质对残留有机氯农药光分解催化作用
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批准号:29977003
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项目类别:面上项目
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资助金额:14.0万元
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批准年份:1999
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负责人:全燮
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依托单位:
天然水沉积物吸附态多氯代有机物的缺氧脱氯特性研究
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批准号:29777002
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项目类别:面上项目
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资助金额:10.0万元
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批准年份:1997
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负责人:全燮
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依托单位:
逐级分离法研究大连近海沉积物上有机物吸附、释放行为
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批准号:29100035
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:4.5万元
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批准年份:1991
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负责人:全燮
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依托单位:
国内基金
海外基金