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

马伟涛,李再兴,陈晓飞,刘艳芳,雷诣涵,侯鹏飞. MnO₂‒RuO₂/CFS复合电极制备及其电氧化性能研究[J]. 工业水处理, 2022, 42(3): 98-105.

Weitao MA,Zaixing LI,Xiaofei CHEN,Yanfang LIU,Yihan LEI,Pengfei HOU. Preparation and electro oxidation performance of MnO₂‒RuO₂/ CFS composite electrode[J]. Industrial Water Treatment, 2022, 42(3): 98-105.

https://gyscl.magtechjournal.com/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

参考文献 18

1	TREVIÑO-RESENDEZ J D J， MEDEL A， MEAS Y. Electrochemical technologies for treating petroleum industry wastewater［J］. Current Opinion in Electrochemistry，2021，27：100690. doi:10.1016/j.coelec.2021.100690 doi: 10.1016/j.coelec.2021.100690
2	王立璇，马宏瑞，孟高飞，等. DSA电极催化氧化法处理制药废水的应用研究［J］. 工业水处理，2017， 37（7）：35-38. doi:10.11894/1005-829x.2017.37(7).035 doi: 10.11894/1005-829x.2017.37(7).035
	WANG Lixuan， MA Hongrui， MENG Gaofei，et al. Study on the application of DSA electrode catalytic oxidation method in the treatment of pharmaceutical wastewater［J］. Industrial Water Treatment，2017，37（7）：35-38. doi:10.11894/1005-829x.2017.37(7).035 doi: 10.11894/1005-829x.2017.37(7).035
3	刘峻峰，黄琳琳，李姗姗，等. 电催化氧化对制药废水二级出水的深度处理效能［J］. 环境工程学报， 2016，10（11）：6269-6274. doi:10.12030/j.cjee.201507033 doi: 10.12030/j.cjee.201507033
	LIU Junfeng， HUANG Linlin， LI Shanshan，et al. Advanced treatment efficiency of electro catalytic oxidation for secondary effluent of pharmaceutical wastewater［J］. Journal of Environmental Engineering， 2016，10（11）：6269-6274. doi:10.12030/j.cjee.201507033 doi: 10.12030/j.cjee.201507033
4	刘俊逸，黄青，李杰，等. 印染工业废水处理技术的研究进展［J］.水处理技术，2021，47（3）：1-6．
	LIU Junyi， HUANG Qing， LI Jie，et al. Research progress of printing and dyeing wastewater treatment technology［J］. Water Treatment Technology，2021，47（3）：1-6.
5	裴姝钊，朱琳，张梓萌，等. 亚氧化钛膜电极电化学特性及其处理印染工业废水的效能研究［J］. 环境科学学报，2020，40（10）：3658-3665. doi:10.13671/j.hjkxxb.2020.0357 doi: 10.13671/j.hjkxxb.2020.0357
	PEI shuzhao， ZHU Lin， ZHANG Zimeng，et al. Electrochemical characteristics of titanium oxide film electrode and its efficiency in treating printing and dyeing wastewater［J］. Journal of Environmental Science，2020，40（10）：3658-3665. doi:10.13671/j.hjkxxb.2020.0357 doi: 10.13671/j.hjkxxb.2020.0357
6	于栋，罗庆，苏伟，等. 重金属废水电沉积处理技术研究及应用进展［J］.化工进展，2020，39（5）：1938-1949.
	YU Dong， LUO Qing， SU Wei，et al. A review on research and application of electrodeposition for heavy metal wastewater treatment［J］. Chemical Industry and Engineering Progress，2020，39 （5）：1938-1949.
7	邱敬贤，刘君，黄献，等.电化学法处理电镀废水的研究进展［J］.电镀与精饰，2019，41（10）：17-21.
	QIU Jingxian， LIU Jun， HUANG Xian，et al. Research progress of electrochemical treatment of electroplating wastewater［J］. Electroplating and Finishing，2019，41（10）：17-21.
8	汪昕蕾，秦侠，袁少鹏，等. Ti/Ru/SnO₂+Sb₂O₅电极的制备及其对垃圾渗滤液的电催化氧化［J］. 环境工程学报，2018，12（7）：1865-1871.
	WANG Xinlei， QIN Xia， YUAN Shaopeng，et al. Preparation of Ti/Ru/SnO₂+Sb₂O₅ electrode and its electrocatalytic oxidation of landfill leachate［J］. Journal of Environmental Engineering，2018，12（7）： 1865-1871.
9	张继卫，常海洲，伊涵. KOH/TiO₂-AC涂层电极制备及其电吸附除盐性能研究［J］. 功能材料，2021，52（6）：6001-6005. doi:10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.001 doi: 10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.001
	ZHANG Jiwei， CHANG Haizhou， YI Han. Preparation of KOH/TiO₂-AC coating electrode and its electro adsorption desalination performance［J］. Functional Materials，2021，52（6）：6001-6005. doi:10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.001 doi: 10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.001
10	ZHAN Yinbo， BAI Jiaming， GUO Feiqiang. Facile synthesis of biomass-derived porous carbons incorporated with CuO nanoparticles as promising electrode materials for high-performance supercapacitor applications［J］. Journal of Alloys and Compounds，2021，885：161014. doi:10.1016/j.jallcom.2021.161014 doi: 10.1016/j.jallcom.2021.161014
11	MAHMOUD B A， MIRGHNI A A， OYEDOTUN K O，et al. Nanoplatelets ammonium nickel-cobalt phosphate graphene foam composite as novel electrode material for hybrid supercapacitors［J］. Journal of Alloys and Compounds，2021，883：160897. doi:10.1016/j.jallcom.2021.160897 doi: 10.1016/j.jallcom.2021.160897
12	MOHAMMADI N， POURREZA K， ADEH N B，et al. Defective mesoporous carbon/MnO₂ nanocomposite as an advanced electrode material for supercapacitor application［J］. Journal of Alloys and Compounds，2021，883：160874. doi:10.1016/j.jallcom.2021.160874 doi: 10.1016/j.jallcom.2021.160874
13	FENG Li， LI Gang， ZHANG Sheng，et al. Decoration of carbon cloth by manganese oxides for flexible asymmetric supercapaci-tors［J］. Ceramics International，2017，43（11）：8321-8328. doi:10.1016/j.ceramint.2017.03.168 doi: 10.1016/j.ceramint.2017.03.168
14	ORISEKEH K， SINGH B， OLANREWAJU Y，et al. Processing of α-Fe₂O₃ nanoparticles on activated carbon cloth as binder-free electrode material for supercapacitor energy storage［J］. The Journal of Energy Storage，2020，33：102042. doi:10.1016/j.est.2020.102042 doi: 10.1016/j.est.2020.102042
15	GUO Ruifeng， ZHAO Xiaojun， LI Xingyun，et al. Preparation and formation mechanism of graphene oxide supported hollow mesoporous Mg₂Si₃O₆（OH）₄ micro-nanospheres with highly efficient methylene blue dye removal from wastewater［J］. Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2021，610：125936. doi:10.1016/j.colsurfa.2020.125936 doi: 10.1016/j.colsurfa.2020.125936
16	金环，王娟，姬云，等. Ta/Al-Fe₂O₃薄膜电极的制备及其光电催化降解亚甲基蓝性能［J］. 物理化学学报，2015（5）：955-964. doi:10.3866/PKU.WHXB201503112 doi: 10.3866/PKU.WHXB201503112
	JIN Huan， WANG Juan， JI Yun，et al. Synthesis of Ta/Al-Fe₂O₃ film electrode and its photoelectrocatalytic performance in methylene blue degradation［J］. Acta Physico-chimica Sinica，2015（5）：955-964. doi:10.3866/PKU.WHXB201503112 doi: 10.3866/PKU.WHXB201503112
17	LIU Hongli， GAO Bo， YUAN Wenjin，et al. Modification of graphene aerogel with titania nanotubes for efficient methylene blue adsorption kinetics［J］. Journal of Sol-Gel Science and Technology，2021，97：271-280. doi:10.1007/s10971-020-05449-y doi: 10.1007/s10971-020-05449-y
18	ZHANG Xufang， MA Bin. Orthogonal experiment design and analysis of compound activator［J］. Applied Mechanics and Materials，2013，438/439：404-407. doi:10.4028/www.scientific.net/amm.438-439.404 doi: 10.4028/www.scientific.net/amm.438-439.404

[1]	武英, 徐黄欢, 龙盈桥, 王雨石, 魏秋平, 蔡群欢, 薛罡. 掺硼金刚石电极电化学处理二甲基亚砜工业废水[J]. 工业水处理, 2026, 46(3): 57-64.
[2]	罗菊香, 赖槐东, 杨雨晴, 程德书. β-CD/羧基修饰PAMSMs交联共聚物微球吸附水中亚甲基蓝[J]. 工业水处理, 2025, 45(5): 120-126.
[3]	王庆元, 张彦平, 李一兵, 李芬. 农膜-秸秆生物质炭对亚甲基蓝的吸附性能[J]. 工业水处理, 2025, 45(3): 110-120.
[4]	韩雨璇, 倪志娇, 卢洪伟. 添加剂对DBD处理亚甲基蓝模拟废水的影响[J]. 工业水处理, 2025, 45(3): 165-174.
[5]	张拔群, 罗仙平, 唐学昆, 吴尧尧, 余嗣昊, 熊瑜婷. 天然矿物纤维水镁石活化过一硫酸盐降解亚甲基蓝[J]. 工业水处理, 2025, 45(2): 85-95.
[6]	陈越, 彭雪儿, 周琛阳, 李婧, 孟欣怡, 高丽丽. CuFeKao粒子电极三维非均相电Fenton体系降解亚甲基蓝[J]. 工业水处理, 2025, 45(2): 54-62.
[7]	贾广征, 刘思乐, 杜文娟. 回收混凝土粉末负载TiO₂催化剂的制备及光催化性能[J]. 工业水处理, 2025, 45(11): 102-109.
[8]	于希豪, 刘祺, 张杰, 张钊, 马晓贝, 孙领民, 田志强, 刘伟, 庄淑娟, 王志刚. 煤气化细渣简单制备吸附剂吸附亚甲基蓝及其回收燃烧性能研究[J]. 工业水处理, 2025, 45(10): 130-140.
[9]	钟晨晨, 石小雪, 董季玲, 王明媚, 刘洋, 蒋伟. MIL-53（Fe）对MB、Cr（Ⅵ）及其复合污染体系吸附特性对比研究[J]. 工业水处理, 2025, 45(10): 141-154.
[10]	徐雪, 孙亚, 朱晓丹, 沈淑娟, 师亚威, 丁光辉. 含油污水电破乳技术研究进展[J]. 工业水处理, 2025, 45(10): 18-28.
[11]	李守彪, 吴亚品, 徐凤麒, 郭宇, 颜薇, 江波. ClO _x ^-产物对电氧化去除COD性能评价及水体毒性影响[J]. 工业水处理, 2024, 44(9): 143-150.
[12]	黄年花, 黄思林, 陆红叶, 马璐, 凌绍明. 亚甲基蓝共振散射光谱法测定地下水中亚氯酸根[J]. 工业水处理, 2024, 44(6): 198-202.
[13]	覃毅雪, 王盛, 张兵兵, 陈蔚洁, 安明泽, 杨照, 秦舒浩. 锌硫功能生物炭活化过二硫酸盐降解亚甲基蓝[J]. 工业水处理, 2024, 44(11): 82-92.
[14]	黄俪欣, 曾祥健, 谭杰, 潘湛昌, 胡光辉, 许燕滨, 伍尚权. 电化学法处理养殖场臭气吸收剂及其循环利用的研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(9): 126-132.
[15]	丁琨, 江娜, 孙红军, 李魁, 杨雯, 阮丽君, 胡昊. 厨余垃圾木质素改性处理亚甲基蓝废水性能研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(8): 128-136.

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