由酸性矿山废水中的Fe(II)原位制备非均相电Fenton催化剂及过程控制原理

Acid mine drainage (AMD) contains a large amount of dissolved ferrous irons (Fe(II)) which should be removed instead of discharged into environment. The recovery of iron from the AMD attains a double objective of waste minimization and resource recovery. In this project we propose a novel method to produce the heterogeneous electro-Fenton catalysts from Fe(II) in the AMD. An air-cathode fuel cell is utilized to convert Fe(II) to Fe(III) which is absorbed or precipitated on the surface of carbon anode, and then iron oxide/carbon composites are formed via calcining at controlled temperature and atmosphere. In this project, We will try to elucidate the spontaneous electro-oxidation of Fe(II) to Fe(III) in the air-cathode fuel cell as well as the intrinsic mechanism of heterogeneous electro-Fenton system. In order to obtain iron oxide/carbon composites with high heterogeneous electro-Fenton catalytic activity, we will try to modify the surface of carbon anode and control the electrochemical reaction in the Fe(II)-fed fuel cell. We will demonstrate some chelating ions such as carbonate and EDTA can enhance the fuel cell efficiency. In addition, we will try to attain effective pollution removal by optimizing the parameters of heterogeneous electro-Fenton system. This research not only provides a completely new and sustainable avenue for the AMD treatment, but also supplies valuable information for the manipulation and application of heterogeneous electro-Fenton reaction.

酸性矿山废水中含有大量亚铁离子，直接排入环境会造成严重污染。对酸性矿山废水中的铁资源进行回收与利用具有环境和经济的双重意义。本项目拟研究一种由酸性矿山废水中的Fe(II)原位制备非均相电Fenton反应催化剂的新方法，即在常温空气阴极燃料电池的碳材阳极表面使Fe(II)自发电化学氧化成为Fe(III)，然后进一步煅烧形成用于非均相电Fenton阴极的碳载铁氧化物催化剂。本项目将深入探索燃料电池中Fe(II)的电化学氧化和产物形成的规律与控制原理；全面解析非均相电Fenton的电极反应过程及铁氧化物的催化机制；综合运用碳材电极表面改性、电化学反应条件控制、络合离子强化等多种手段实现对燃料电池的有效调控，从而制备出具有较高催化活性和稳定性的碳载铁氧化物催化剂，并通过催化条件的协调与优化最大程度地提高非均相电Fenton反应效率。本项目的研究将为酸性矿山废水中重金属的资源化处理提供新的研究思路。

本项目利用空气阴极燃料电池技术实现了酸性矿山废水中Fe(II)向Fe(III)的定向转化以及铁氧化物在碳材上的负载。通过调节空气阴极燃料电池的溶液条件和碳材基质改性，制备出具有优异电Fenton催化活性的Fe3O4/石墨碳复合材料。利用实际酸性矿山废水中的共存离子通过自然掺杂获得铁基二元复合非均相电Fenton催化剂材料。将该技术用于实际酸性矿山废水处理，结果表明处理后水体中各种重金属离子浓度均降至排放标准以下，且重金属被有效利用制备成为非均相电Fenton催化剂。在阴极均相电 Fenton和阳极氧化条件下研究了石墨棒发生的氧化反应，探究了石墨棒的碳腐蚀对电极活性的影响。得出为了防止碳材电极腐蚀的安全电位范围。该电位范围内发生的碳氧化反应增加了碳表面含氧官能团从而提高了电极活性。利用石墨碳材对废水中有机染料进行电化学催化氧化降解，研究了电压对污染物降解的影响。提出了碳材表面催化氧化的新机理，阐明了碳材上的不饱和官能团对降解的催化作用以及阳极电流对催化活性位点的激发效应。将非均相电Fenton技术应用于人工合成水溶高聚物PAM的降解，对系统处理效率和PAM降解机理进行了综合考察。提出由于高分子量PAM具有较强的混凝性，在均相 Fenton体系中会和Fe2+/Fe3+产生沉淀作用而使反应中断。因此，非均相电Fenton体系比均相体系更适宜于处理水溶高分子类污染物。通过产物结构表征，揭示对于PAM类高聚物，由于链重组的存在，通过自由基手段较难将其高分子链完全破坏。然而，非均相电Fenton体系可作为PAM厌氧消化的预处理手段。将GF负载Ni-NiO复合材料作为阴极材料构造了非均相类Fenton系统，利用Ni和NiO之间的氧化还原反应实现了晶格氧的活化和再生，从而在低能耗、宽pH范围内对有机污染物实施有效降解。构建了电助湿式空气氧化系统，利用电场对O2 的激活作用，在Fe3O4修饰碳电极上实现了污染物的常温空气氧化。提出在降解过程中Fe3O4和碳材之间存在着协同作用，Fe3O4与碳之间电子转移的内在联系是Fe-C和Fe-O-C键。修饰Fe3O4使得碳电极催化活性增强，从而能够实现对有机污染物的有效降解。