掺硼金刚石厚膜电极污水处理实验研究
・机械制造与研究・陈兴峰, 等・掺硼金刚石厚膜电极污水处理实验研究
掺硼金刚石厚膜电极污水处理实验研究
陈兴峰, 戴军之, 黄铭敏, 左敦稳, 周亮, 康静
(南京航空航天大学机电学院, 江苏南京210016)
摘 要:在E ACVD (electr on 2assisted hot fila ment che m ical vapor depositi on ) 金刚石膜沉积系统上
制备出了掺硼金刚石厚膜电极, 采用循环伏安法研究了掺硼金刚石厚膜电极和Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极电化学性能的差别, 结果表明掺硼金刚石厚膜电极具有比Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极更宽的电势窗口(约3. 4V ) 和更低的背景电流(接近于零) 。用所制备的掺硼金刚石厚膜电极和Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极对比处理高浓度难降解污水, 通过测定污水处理过程中化学需氧量(chem ical oxygen de mand, C OD ) 的变化、观察污水处理过程中颜色的变化、处理前后两电极的SE M 照片研究了掺硼金刚石厚膜电极在污水处理中的应用, 试验表明掺硼金刚石厚膜电极比Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极处理污水效率更高、处理高浓度难降解污染物的能力更强, 电极更加稳定、耐腐蚀性更好, 是一种很有应用前景的电极。
关键词:掺硼金刚石膜电极; 电化学性能; 污水处理; 化学需氧量中图分类号:T B321; X703 文献标识码:B :167125276(2im t a D i a ter Trea tm en t
I zhi, HUANG M ing 2m in, Z UO Dun 2wen, ZHOU L iang, K ANG J ing
(Co ll ege o f M e chan i ca l and E l e c tri ca l Eng i ne e ri ng,
N a n ji ng U n i ve rs ity o f Ae r o na u ti c s a nd A s tr o na u ti c s, N a n ji ng 210016, C h i na )
Abstract:Bo r on dop e d di am ond th i ck fil m e l ec tr o de is p rep a red i n a se l f 2m a de EACVD sys tem. The p e rfo r m ance is com p a red a nd
i nve s ti ga ted be t w e en the e l e c tr ochem i ca l p r ope rty of bo r on dop e d di am ond th i ck fil m and o ne o f tra diti o na l coa te d tita ni um e l e c tr o de m a te ri a . l The re sults show tha t the bo r o n dop e d di am ond th i ck fil m ha s w i de r e l e c tr ochem i ca lw i ndow (app r oxi m a te 3. 4V ) a nd l o w e r ba ckg r ound cu rre n t (ne a r ze r o ) tha n I r O 2/Ta2O 5coa te d tita ni um e l e c tr o de. Se ri o us l y po ll ute d w a te r can be tre a te d w ith the bo r on dope d d i am o nd thi ck fil m e l e c tr o de and Ir O 2/Ta2O 5coa te d tita ni um e l e c tr o de. The e xpe ri m en t re su lts demo n stra te tha t the COD o f the w a s tew a te r tre a te d w ith the d i am o nd e l ec tr ode dec re a se s mo re qui ckl y tha n tha t w ith the co a te d titan i um o ne. I t is a lso show n tha t the bo r o n dop ed d i am o nd e l ec tr ode is ha s hi ghe r e ffi c i ency and m o re sta bility a s w e ll a s be tte r co rr o s i o n re s is ta nce. It ca n be su re tha t it is a ve ry p r om is i ng e l e c tr ode.
Key words:bo r o n dop ed d i am o nd thi ck fil m e l e c tr ode; e l ec tr ochem i ca l p r op e rty; w a stew a te r trea t m e n t; COD
0 引言
随着人们生活水平的提高, 人们对水质的要求也越来越高, 但是工业生产中的废水以及水体污染问题却日趋严重。电解水处理技术作为一项先进的污水及饮用水处理技术, 受到了国际学术界以及工业界的广泛关注。在电解水处理技术中, 电极是电化学反应的核心部位, 然而传统的电极, 如铂基合金电极、钛涂层电极、碳素电极等在处理高浓度、难降解污水时都受到很大的限制, 如使用寿命短, 电解效率低, 难降解有机物无法被分解等。寻找一种能有效处理高浓度、难降
[1,2]
解污水的新的电极材料成为了亟待解决的问题。
金刚石以其优异的性能, 在机械、热学、光学、声学、电
[3, 4]
子学及半导体等领域具有广阔的应用前景。有文献
称, 掺硼金刚石膜在水溶液中具有很宽的电化学窗口、很
小的背景电流、高的化学和电化学稳定性, 没有有机物和生物化合物的吸附、耐腐蚀等特点, 成为处理污水的一种新的有应用前景的电极材料[5, 6]。
本文在制备出掺硼金刚石厚膜电极的基础上, 研究了掺硼金刚石厚膜电极的电化学性能, 通过与传统污水处理电极Ir O 2/Ta2O 5钛涂层对比处理高浓度难降解污水的实验, 研究了掺硼金刚石厚膜在水处理中的应用。
1 试验
采用本课题组自行研制的电子辅助热丝CVD (E AC VD ) 金刚石膜沉积系统在直径100mm 单晶硅基片上沉积出了掺硼金刚石厚膜电极, 极板厚1. 2mm 。沉积
基金项目:南京航空航天大学2006年度校大学生创新基金(项目编号:Z060209) ; 2007年度江苏省高等学校大学生实践创新训练计划
项目资金。
作者简介:陈兴峰(1985— ) , 男, 湖北十堰人, 工学学士, 南京航空航天大学在读硕士, 研究方向:金刚石膜在电解水处理中的应用。
・12・htt p:∥ZZHD. chinaj ournal . net . cn E 2mail:ZZHD@chainaj ournal . net . cn 《机械制造与自动化》
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极上却不一定。掺硼金刚石厚膜电极的背景电流接近于
零, 比Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极低一个数量级, 因此, 在处理污水的应用中, 掺硼金刚石厚膜电极较Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极能耗低得多, 电极接近理想化
。
参数如下:钽丝温度2500℃～2650℃, 基体温度780℃～800℃, 偏压10V ～40V, 反应室气压(2. 5～3) kPa, H 2流量1000SCC M , 碳氢比为4%, 碳源为CH 3CH 2OH, 掺杂
[3]
源为固体B 2O 3, B 2O 3在C 2H 5OH 中的浓度为01006。
通过在电化学工作站上测量掺硼金刚石厚膜电极和Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极的循环伏安曲线研究掺硼金刚石厚膜电极的电化学性能。实验在无隔膜电解槽内进行, 采用三电极体系, 分别以掺硼金刚石厚膜电极和Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极为工作电极, 铂片为辅助电极(对电极) , AgCl/Ag(NSE ) 电极或饱和甘汞电极(SCE ) 为参比电极, 以1mol/L的H 2S O 4溶液为介质, 扫描电压范围为-2V ～3V, 扫描速率为50mV /s 。
掺硼金刚石厚膜电极和Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极对比处理高浓度难降解污水的实验在自制的简易电解系统上进行(图1) 。分别以掺硼金刚石厚膜电极和Ir O 2/Ta2O 5钛涂层为阳极, 不锈钢为阴极处理石油焦化水和药厂废水, 处理过程中保持恒流2A , 极板间距为5mm 。用重铬酸钾滴定法测定污水处理过程中COD 的变化, 用扫描电镜(型号:JOEL JS M7001F FESE M ) 观察处理污水前后金
。
图2 掺硼金刚石厚膜电极和I rO 2/Ta2O 5
钛涂层电极循环伏安曲线
2. 2 掺硼金刚石厚膜电极对污水的处理
COD 是一种常用的评价水体污染程度的综合性指
图1 水处理设备
标, 图3为掺硼金刚石厚膜电极和Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极处理石油焦化污水过程中污水COD 的变化曲线。污水原始浓度为8000mg/L,经过2h 的处理, 掺硼金刚石厚膜电极处理的污水C OD 降为900mg/L,Ir O 2/Ta2O 5钛涂
2 实验结果与分析
2. 1 掺硼金刚石厚膜电极的电化学性能
图2(a ) 为掺硼金刚石厚膜电极的循环伏安曲线, 图2(b ) 为Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极的循环伏安曲线。从图中可以看出, 掺硼金刚石厚膜电极有比Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极宽得多的电势窗口和低得多的背景电流。掺硼金刚石厚膜电极上的析氢电位为-1. 2V, 析氧电位为2. 2V, 电势窗口约为3. 4V, 而Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极的析氢电位和析氧电位分别为-0. 5V 和为1. 2V, 电势窗口仅为1. 7V, 通常, 有机物的氧化电位在1. 5V ～2. 0V 范围内[7], 也就是说, 大多数有机污染物都能直接在掺硼金刚石厚膜电极上得到氧化分解, 而在Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电
M ac hine B
uilding
A uto mation, A ug 2008, 37(4) :12～14, 32
图3 掺硼金刚石厚膜电极和I r O 2/Ta2O 5钛涂层电极处理石油焦化污水过程中污水COD 的变化曲线
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层电极处理的污水C OD 降为1800mg/L。图4为处理前后污水颜色的变化, 0号试样为未处理的石油焦化污水, 1号和2号分别为用掺硼金刚石厚膜电极和Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极处理两小时后的污水, 从图4中可以看出, 试样1污水基本透明, 而试样2仍呈褐色, 且处理过程中污水颜色变化不明显。由此可以看出掺硼金刚石厚膜电极比
Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极处理污水效率更高
。
图6 药厂废水经两种电极处理前后颜色
层电极使用前后的SE M 照片。从图7中可以看出, 处理
前后金刚石膜电极表面没有明显变化, 而Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极表面被明显腐蚀出现了较多微孔, 刚石厚膜电极比O 2/Ta2O 5好、
图4 石油焦化水经两种电极处理前后颜色变化图5Ir 25浓度为20从图可以看出, 经过3个小时的处理, COD 降到了原来的一半, 而Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极处理的污水C OD 降低很少。这是因为, 本实验所用药厂废水有机物氧化电位很高, Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极难以将其氧化降解, 而掺硼金刚石厚膜电极却可以将其降解。图6为污水处理前后颜色的变化, 0号试样为未处理的药厂废水, 1号和2号分别为用掺硼金刚石厚膜电极和Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极处理三小时后的污水, 从图6中可以看出, 试样1中污水基本透明, 而试样2颜色变化不大。由此可得掺硼金刚石厚膜电极可以处理Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极难以降解的有机污染物, 处理污水的效率也比它高
。
图7 掺硼金刚石厚膜电极和I r O 2/Ta2O 5钛涂层电极使用前后表面微观结构的SE M 照片
3 结论
对自制的掺硼金刚石厚膜电极的电化学性能进行了研究, 结果表明掺硼金刚石厚膜电极具有比Ir O 2/Ta2O 5
钛涂层电极更宽的电势窗口(约3. 3V ) 和更低的背景电流。通过与Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极对比处理高浓度难降解污水, 发现掺硼金刚石厚膜电极比Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极处理污水效率更高、处理难降解污染物能力更强, 电极稳定性更好、耐腐蚀性更强。由此可见, 用掺硼金刚石厚膜电极处理高浓度难处理污水是切实可行的, 有望成为取代传统的新一代污水处理电极。
图5 掺硼金刚石厚膜电极电极和I r O 2/Ta2O 5钛涂层电极处理石油焦化污水过程中污水COD 的变化曲线图7(a ) 和图7(b ) 为掺硼金刚石厚膜电极处理污水前后的SE M 照片, 图7(c ) 和图7(d ) 为Ir O 2/Ta2O 5
钛涂・14・
致谢:感谢南京航空航天学校大学生创新基金提供的资金支持; 感谢在做实验过程中徐锋老师、卢文状老师、孙玉利博士等人的精心指导和帮助; 特别感谢苏州枫港钛材设备有限公司提供的Ir O 2/Ta2O 5钛涂层电极。
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・机械制造与研究・条件。
蒋天合, 等・油气润滑应用在高速轴承中的实验研究
润滑油粘度对温升的影响与转速有较大关系。转速
较小时, 粘度大小对轴承温升影响较大。分析认为, 当粘度过小时, 不足以形成完整的润滑膜, 接触面直接摩擦, 温升较高; 粘度增加时有利于油膜的形成。在高速时, 粘度对轴承的温升影响不大。
油气温度和出口压力决定着轴承的冷却效果, 在油气润滑设备允许的调节范围内, 随着油气压力增大, 滚动轴承的温升呈单调降低的变化趋势, 但降低速度变缓, 为节约能耗的同时取得较好的降温效果, 设备允许的范围内应调整到较高的出口压力。通过采用空气调温装置可极大地提高降温效果, 不仅最终的稳定温度较低, 而且温度上升的速度也比较慢, 对提高轴承的速度性能具有重要意义。参考文献:
[1]Cheng 2H sien W u, Yu 2Tai Kung . A para on oil/air
on of 2s [J Engineering, ]I ball 2bearing te mpera 2
oil 2air lubricati on syste m [J ].Pr oc I nstn Mech Engrs (val 215) :1392148.
[3]王志坤. 高速电主轴滚动轴承油气两相流润滑实验研究
[D].南京:东南大学, 2005.
[4]蒋书运. 高速滚动轴承油气二相流润滑实验研究[C ].2006
3. 1 合适的润滑油粘度
高速轴承内部球滚动体、保持架等部件的运行速度非
常高, 接触表面相对滚动、滑动(包括自旋滑动) 的速度很大, 导致润滑油膜的拖动加速度和拖动力增加, 加之自旋滑动导致湍流润滑及油膜紊流的存在, 润滑油膜易破裂, 因此润滑油的粘度要适中, 粘度大易导致发热严重, 但粘度小不易形成油膜, 润滑不足。
3. 2 较大的载荷要求
高速轴承不仅要承受必要的工作载荷, 其内部滚动体的高速离心力会在外圈滚道上产生很大的接触载荷, 球滚动体与轴承内、外圈之间的接触为赫兹空间点接触, 外圈滚道上的实际接触应力往往达到较大的值, 要求弹流润滑油膜能够承受足够的接触应力。
3. 3 较高的温度条件
高速轴承的内部温度较高, 润滑油的粘度受温升影响较大, 在选择润滑油时, 对润滑油粘度的影响。, 影响不大, 3. 4 通过选择合适的润滑方式和参数, 能够使轴承在工作过程中形成完整的润滑膜, 从而最大限度地降低了热量的生成。同时, 要求轴承能够得到较好的冷却散热, 如采用较高的油气压力, 较低的气流温度等, 可进一步降低温升, 提高轴承的速度性能和使用寿命。
全国摩擦学学术会议论文集:2912293.
[5]王军. 混合陶瓷球轴承油气润滑与预紧力的实验研究[J ].燕
山大学学报, 2004(1) :92294.
[6]陈宏军, 等. 油气两相环状流的实验研究[J ].鞍钢技术, 2000
(11) :35238.
[7]闫大鹏, 等. 高速电主轴轴承油气润滑系统的研究[J ].机械
4 总结
通过使用自主研制的轴承实验台, 对油气润滑技术在
高速轴承中的参数进行实验研究, 证明实验台是比较有效的。
通过油气发生器调节其供油间隔, 能够有效地实现精确供油。在供油量从低到高的变化过程中, 轴承的温升呈现下抛物线形的变化趋势, 通过精确调节供油量, 能够实现温升最低。
工程与自动化, 2006(1) :37239.
[8]张俊国, 等. 油气润滑滚动轴承最佳供油量实验研究[J ].润
滑与密封, 2006(10) :1682170.
[9]朱金虎. 高速精密电主轴关键技术的研究[D ].上海:上海交
通大学, 2004.
收稿日期:2008203227
(上接第14页)
[5]李春燕, 潘凯, 吕宪义, 等. 掺硼多晶金刚石膜的电化学性能
研究[J ].高等学校化学学报, 2006, 27(11) :213622139.
参考文献:
[1]张招贤, 等. 应用电极学[M].北京:冶金工业出版社, 2005. [2]李明利. 金刚石膜电极的电化学性质及应用研究[D ].上海:
[6]陈胡果. 高硼掺杂金刚石膜电极的电化学应用研究[J ].物理
学和高新技术, 2002, 31(2) :223.
[7]俞杰飞, 周亮, 王亚林, 等. 掺硼金刚石薄膜电极电催化降解
同济大学, 2004.
[3]卢文壮, 左敦稳, 王珉, 等. 大面积B 掺杂CVD 金刚石膜的制
染料废水的研究[J ].高校化学工程学报, 2004, 18(5) :6482651.
备研究[J ].人工晶体学报, 2004, 33(5) :7262730.
[4]黎向锋, 左敦稳, 王珉. 硬质合金上金刚石膜的沉积[J ].航空
精密制造技术, 1999, 35(3) :8211. 收稿日期:2008203206
htt p:∥ZZHD. chinaj ournal . net . cn E 2mail:ZZHD@chainaj ournal . net . cn 《机械制造与自动化》
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