MnO<sub>2</sub>‒RuO<sub>2</sub>/CFS复合电极制备及其电氧化性能研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0680

摘要/Abstract

摘要：

采用电沉积法制备MnO₂?RuO₂/CFS（碳纤维布）复合电极，利用SEM、XRD、循环伏安测试等对制备的电极进行了表征，并通过降解高氯亚甲基蓝模拟废水实验，考察了制备电极的电化学氧化性能及影响因素。结果表明：MnO₂?RuO₂/CFS复合电极上分布着密集粗糙的MnO₂和RuO₂纳米晶体，可提高氯离子利用率和降解效率；与纯碳纤维布、RuO₂/CFS电极相比，MnO₂?RuO₂/CFS复合电极的电化学氧化能力更强，降解亚甲基蓝具有更高的脱色率和COD去除率。通过SPSS优化可以得到MnO₂?RuO₂/CFS复合电极处理亚甲基蓝废水的最佳条件：初始亚甲基蓝质量浓度550 mg/L，NaCl质量浓度20 g/L，电流密度90 mA/cm²，电解时间60 min，在此条件下，COD去除率达到95.90%。降解反应符合一级反应动力学。

关键词: MnO₂?RuO₂/CFS复合电极, 电化学氧化, 亚甲基蓝

Abstract:

MnO₂?RuO₂/CFS（carbon fiber cloth）composite electrode was prepared by electrodeposition. The prepared electrode was characterized by SEM， XRD and cyclic voltammetry， and the electrochemical oxidation performance and its influencing factors of the electrode were investigated by degrading methylene blue simulated wastewater containing high concentration of chloride. The results showed that dense and rough MnO₂ and RuO₂ nanocrystals were distributed on MnO₂?RuO₂/CFS composite electrode，which could improve the utilization of chloride ions and degradation efficiency. Compared with pure carbon fiber cloth and RuO₂/CFS electrode， MnO₂?RuO₂/CFS composite electrode had stronger electrochemical oxidation ability and higher decolorization rate and COD removal rate for the degradation of methylene blue. The optimum conditions by SPSS for the treatment of methylene blue wastewater with MnO₂?RuO₂/CFS composite electrode were as follows：the initial mass concentration of methylene blue 550 mg/L，the mass concentration of NaCl 20 g/L，the current density 90 mA/cm²，and the electrolysis time 60 min. Under these conditions，the COD removal rate reached 95.90%，and the degradation reaction was accorded with the first-order reaction kinetics.

Key words: MnO₂?RuO₂/CFS composite electrode, electrochemical oxidation, methylene blue

中图分类号:

TQ151.4

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https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I3/98

图/表 14

图1 MnO₂?RuO₂/CFS电极制备示意

Fig. 1 Preparation of MnO₂?RuO₂/CFS electrode

图2 纯碳纤维布的SEM表征结果

Fig.2 SEM characterization results of blank carbon fiber cloth

图3 RuO₂/CFS电极（b₁，b₂）和MnO₂?RuO₂/CFS电极（c₁，c₂）的SEM表征结果

Fig.3 SEM characterization results of RuO₂/CFS electrodes （b₁，b₂） and MnO₂?RuO₂/CFS electrodes （c₁，c₂）

图4 电极材料的XRD表征结果

Fig. 4 XRD characterization results of electrode materials

图5 纯碳纤维布、RuO₂/CFS电极和MnO₂?RuO₂/CFS电极的CV曲线

Fig. 5 CV curves of blank carbon fiber cloth，RuO₂/CFS electrode and MnO₂?RuO₂/CFS electrode

图6 3种电极材料处理废水效果对比
degradation of organic compounds

Fig.6 Comparison of three electrode materials for

图7 亚甲基蓝初始浓度对降解效果的影响
blue on degradation effect

Fig.7 Effect of initial concentration of methylene

图8 NaCl浓度对降解效果的影响

Fig.8 Effect of electrolyte concentration on degradation effect

图9 电流密度对降解效果的影响

Fig.9 Effect of current intensity on degradation effect

图10 电解时间对降解效果的影响

Fig.10 Effect of electrolysis time on degradation effect

表1 因素水平

Table 1 Form of factor and level

水平	因素
水平	A 亚甲基蓝初始质量浓度/（mg·L^-1）	B NaCl质量浓度/（g·L^-1）	C 电流密度/（mA·cm^-2）	D 电解时间/min
1	350	15	80	15
2	450	20	90	30
3	550	25	100	45
4	650	30	110	60

表2 正交试验结果

Table 2 Results of the orthogonal experiment

编号	A	B	C	D	COD去除率/%	脱色率/%
1	350	15	80	15	-65.22	95.79
2	550	25	80	45	75.78	97.05
3	650	30	80	60	90.76	92.92
4	450	20	80	30	65.21	92.06
5	450	30	100	15	-67.71	88.83
6	650	25	90	15	-62.05	92.07
7	550	20	110	15	-38.21	97.93
8	350	30	110	45	45.54	96.53
9	650	15	110	30	27.39	98.04
10	350	25	100	30	-4.06	93.15
11	450	25	110	60	78.23	96.91
12	450	15	90	45	53.02	97.33
13	550	15	100	60	95.90	97.21
14	550	30	90	30	34.64	97.46
15	650	20	100	45	70.30	97.84
16	350	20	90	60	93.22	94.38

表3 试验方差分析结果

Table 3 Results of the variance analysis of the orthogonal tests

指标	方差来源	平方和	自由度	均方和	F值
亚甲基蓝脱色率	A	0.003	3	0.001	1.670
	B	0.002	3	0.001	1.314
	C	0.002	3	0.001	1.460
	D	0.003	3	0.001	1.528
	误差E	0.002	3	0.001
COD 去除率	A	0.209	3	0.070	5.087
	B	0.274	3	0.091	6.380
	C	0.139	3	0.046	2.968
	D	2.281	3	0.760	201.944
	误差E	0.130	3	0.043

表4 正交试验的极差分析结果

Table 4 Results of the range analysis of the orthogonal tests

考核指标		A	B	C	D
COD 去除率	K₁	0.694 9	1.111 0	0.504 6	-2.33
	K₂	1.287 5	1.905 2	1.188 4	1.231 8
	K₃	1.681 1	0.879 1	0.944 3	2.446 4
	K₄	1.264 0	1.032 3	1.129 5	3.581 2
	k₁	0.173 7	0.277 7	0.126 2	-0.583 0
	k₂	0.321 9	0.476 3	0.297 1	0.308 0
	k₃	0.420 3	0.219 8	0.236 1	0.611 6
	k₄	0.316 0	0.258 1	0.282 4	0.895 3
	R	0.246 5	0.256 5	0.170 9	1.478 3

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