MMO titaniumanode til anilin

Anilinforbindelser er vigtige aromatiske amin-organiske kemiske råmaterialer, og deres derivater understøtter i vid udstrækning udviklingen af ​​nøgleindustrier såsom lægemidler, farvestoffer og pesticider. Disse forbindelser er imidlertid meget giftige, vanskelige at bionedbryde og miljømæssigt kumulative. Anilinholdigt spildevand, der genereres under produktion, opbevaring og transport, er blevet en væsentlig kilde til forurening, der truer vandmiljøets sikkerhed.

Blandede metaloxid-titananoder (MMO titanium anoder) tilbyder banebrydende fordele inden for elektrokemisk oxidationsbehandling af organiske forurenende stoffer, idet de udnytter den fremragende korrosionsbestandighed i deres titansubstrat og den høje katalytiske aktivitet i deres ædelmetaloxidbelægning. Ved præcist at kontrollere den elektrokemiske reaktion opnår de effektiv nedbrydning og endda fuldstændig mineralisering af anilinforbindelser, hvilket overvinder flaskehalse i traditionelle teknologier.

Anilinforbindelsesforurening

Forurening med anilinforbindelser stammer primært fra udledning af anilinholdigt spildevand, hvilket udgør den største miljørisiko. Cirka 15%-25% af anilin går tabt som spildevand under diazotering og koblingsreaktioner i farvestofsyntese og under nitrering og reduktion i lægemidler. Derudover kan lækage fra beholdere under transport og forkert bortskaffelse af affald også forårsage jord- og vandforurening.

Biologisk toksicitetAnilin kan trænge ind i organismer gennem hudkontakt og indånding, hvilket forringer hæmoglobins ilttransportevne, hvilket fører til methemoglobinæmi og forårsager permanent skade på organer som lever og nyrer. Eksperimentelle data viser, at den gennemsnitlige letale koncentration (LC50) af anilin for fisk kun er 0.2-2.0 mg/L, hvilket gør det til et ekstremt giftigt stof.

Miljømæssig persistensAnilin har en stabil molekylær struktur med en halveringstid på adskillige måneder til år i det naturlige miljø. Det akkumuleres let gennem fødekæden og udgør en potentiel trussel mod økosystemer og menneskers sundhed.

Vanskeligheder ved nedbrydningHøjkoncentreret anilin-spildevand (>100 mg/L) er stærkt hæmmende og inaktiverende mikroorganismer i biologiske behandlingssystemer. Samtidig er lavkoncentreret spildevand vanskeligt at fjerne fuldstændigt ved hjælp af konventionelle metoder.

Komplekse forureningsegenskaberIndustrispildevand indeholder ofte flere forurenende stoffer, såsom anilin og nitrobenzen, sammen med høje saltkoncentrationer, hvilket skaber et komplekst forureningssystem karakteriseret ved "toksicitet + højt saltindhold", hvilket yderligere øger vanskeligheden ved behandlingen.

Funktionsprincippet for MMO-titananoden

MMO-titaniumanoden nedbryder anilinforbindelser gennem elektrokatalytisk oxidation. Denne proces integrerer direkte og indirekte oxidationsmekanismer og justerer dynamisk nedbrydningsvejen baseret på forurenende stoffers koncentration og reaktionsbetingelser, hvilket i sidste ende opnår en harmløs behandling af forurenende stoffer.

(I) Direkte oxidation

Direkte oxidation involverer direkte oxidation af anilinmolekyler på anodeoverfladen gennem elektronoverførsel. Det er primært egnet til behandling af anilinspildevand med høj koncentration.

AdsorptionAnilinmolekyler adsorberes på MMO-belægningsoverfladen gennem elektrostatisk tiltrækning og van der Waals-kræfter, hvilket danner et stabilt adsorptionslag, der skaber betingelser for elektronoverførsel.

ElektronoverførselUnder påvirkning af det elektriske felt mister anilinmolekyler elektroner og oxideres til kationiske frie radikaler. Efterfølgende finder en række reaktioner sted, herunder spaltning af CN-bindinger og åbning af benzenringen.

ProduktkonverteringOxidationsprodukterne omdannes gradvist til mellemprodukter såsom p-benzoquinon og maleinsyre og omdannes i sidste ende delvist til CO₂ og H₂O, hvilket fører til mineralisering.

Kirk et al. bekræftede eksperimentelt, at nedbrydningen af ​​anilin på MMO-anodeoverfladen primært afhænger af denne direkte oxidationsvej, med en elektronoverførselseffektivitet på over 85%.

(II) Indirekte oxidationsmekanisme

Indirekte oxidation udnytter reaktive oxidative arter (ROS) genereret af den anodiske reaktion til at opnå anilin-nedbrydning og er en dominerende mekanisme i lavkoncentreret spildevandsbehandling.

Hydroxyradikaler (H₂O eller OH⁻) udskilles på anodens overflade og genererer fysisk adsorberet OH, som har et redoxpotentiale på så højt som 2.8 V. Dette frie radikal kan ukritisk angribe anilinmolekyler og starte en kædeoxidationsreaktion, der i sidste ende fuldstændigt mineraliserer anilinen til uorganiske produkter. Denne proces, kendt som "elektrokemisk forbrænding", producerer få mellemprodukter og opnår fuldstændig nedbrydning.

Medieret oxidation: I et kloridholdigt elektrolytsystem oxideres Cl⁻ til Cl₂ ved anoden, som yderligere hydrolyseres for at producere aktive klorforbindelser såsom HClO⁻/ClO⁻. Samtidig danner metaloxider såsom Ru og Ir i MMO-belægningen en reversibel redoxkobling, der cyklisk omdannes til højvalente oxider under elektrolyse, hvorved anilin kontinuerligt oxideres og nedbrydes.

(III) Reaktionskontrol

Elektrodeoxidationsteorien foreslået af Comninellis et al. afslører reaktionskontrolegenskaberne for MMO-titananoden: Når der dannes ikke-støkiometriske højvalente oxider ved anoden, undergår anilin selektiv "elektrokemisk omdannelse", primært til bionedbrydelige mellemprodukter. Når elektroden når sin højeste valenstilstand, sker "elektrokemisk forbrænding" primært gennem dannelsen af ​​・OH. Denne egenskab gør det muligt for MMO-titananoden fleksibelt at tilpasse sig forskellige behandlingsmål (afgiftning/genbrug) ved at justere parametre som spænding og strømtæthed.

I praktiske anvendelser, når spildevandet indeholder Fe²⁺, kan H₂O₂ genereret ved katoden danne et Fenton-system med Fe²⁺, hvilket skaber en synergistisk effekt med anodeoxidation, hvilket øger COD-fjernelseshastigheden til mere end 77.5% og strømeffektiviteten til så høj som 97.8%, hvilket viser en betydelig forbedret nedbrydningseffekt.

Typer af MMO-titaniumanoder til anilinforbindelser

Baseret på forskelle i belægningssammensætning og strukturelt design er MMO-titaniumanoder, der er egnede til behandling med anilinforbindelser, primært opdelt i følgende tre kategorier. Hver anodetype har forskellige karakteristika med hensyn til katalytisk aktivitet og stabilitet.

(JEG) Ruthenium MMO titaniumanoder

RuO₂ er den primære aktive ingrediens, suppleret med oxider såsom TiO₂ for at danne en fast opløsningsbelægning. Den typiske formulering er RuO₂-TiO₂ (molforhold 1:1 til 1:4).

Rutheniumbaserede MMO-titaniumanoder udviser fremragende ledningsevne og klorudviklingsaktivitet med et klorudviklingspotentiale så lavt som 1.3 V. De kan effektivt generere aktive klorarter i klorerede spildevandssystemer. Rutheniumbaserede MMO-titaniumanoder er egnede til behandling af anilinspildevand med højt saltindhold, især dem, der indeholder kloridsalte, såsom dem i farvestofindustrien. Ved behandling af anilinspildevand med en koncentration på 200 mg/L kan strømeffektiviteten nå 75%-85%, og COD-fjernelseshastighederne overstiger 60%.

(II) Iridium MMO Titanium Anoder

IrO₂ anvendes som aktiv komponent, kombineret med Ta₂O₅, TiO₂ og andre materialer for at danne en kompositbelægning. Den mest almindelige type er IrO₂-Ta₂O₅-TiO₂. Iridiumbaserede MMO-titaniumanoder udviser ekstremt høj kemisk stabilitet og iltudviklingsaktivitet og er resistente over for et bredt pH-område på 2-12. De har en stærk evne til at generere OH og høj elektrokemisk forbrændingseffektivitet, hvilket muliggør dyb mineralisering af anilin.

Iridiumbaserede MMO-titaniumanoder er egnede til behandling af højkoncentreret, meget surt anilinspildevand, såsom spildevand fra farmaceutisk mellemproduktion. Et eksperiment viste, at brugen af ​​IrO₂-Ta₂O₅-anoder til behandling af 180 mg/L anilinspildevand resulterede i en anilinfjernelsesrate på over 99% inden for 10 timer.

(3) Tin-antimon MMO titaniumanode

Denne anode bruger SnO₂ som matrix, Sb₂O₅ som dopant, og sjældne jordarter (Ce, La osv.) tilsættes for at optimere ydeevnen, hvilket resulterer i Ti/SnO₂-Sb₂O₅-RE-anoden. Denne tin-antimon-baserede MMO-titaniumanode har et højt iltudviklingspotentiale (ca. 2.0 V ± 0.1 V) og genererer effektivt OH. Den er egnet til dybdebehandling af anilin-spildevand med lavt saltindhold og kan opnå effektiv mineralisering i et klorfrit system. Ceriumdopede tin-antimon-anoder opnår en fjernelsesgrad på 100 % for lignende aromatiske forbindelser og en COD-nedbrydningsgrad på 97.7 %.