Ηλεκτροχημική οξείδωση Cr(III) από προσομοιωμένα και πραγματικά απόβλητα βυρσοδεψείων σε ηλεκτρόδια PbO2
Creators: name: Γραμμένος, Αναστάσιος Ορέστης Στεργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Ηλεκτροχημική επεξεργασία λυμάτων
Τρισθενές χρώμιο
Διοξείδιο του μολύβδου
Electrochemical waste treatment
Trivalent chromium
Lead Dioxide

description: Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας, παρασκευάστηκαν ηλεκτροκαταλύτες διοξειδίου του μολύβδου (PbO2) σε υποστρώματα μολύβδου και γραφίτη για την ηλεκτροχημική οξείδωσης λυμάτων βυρσοδεψείων Cr(III) προς Cr(VI). Η παρασκευή των ηλεκτροκαταλυτών πραγματοποιήθηκε με ποτενσιοστατική ανοδίωση του υποστρώματος υπό σταθερό δυναμικό E= +1.95 V vs SCE, στην περίπτωση του υποστρώματος μολύβδου και με γαλβανοστατική απόθεση PbO2 σε πυκνότητα ρεύματος 2.5 mA cm-2, στην περίπτωση του υποστρώματος γραφίτη. Ύστερα από την παρασκευή των ηλεκτροκαταλυτών ακολούθησε ηλεκτροχημικός χαρακτηρισιμός και σύγκρισή μεταξύ τους όσον αφορά την ηλεκτροκαταλυτική τους ικανότητα απέναντι στην ηλεκτροχημική οξείδωση του Cr(III) με τη μέθοδο της κυκλικής βολταμμετρίας. Η αντίδραση οξείδωσης του Cr(III) βρέθηκε να λαμβάνει χώρα σε θετικά δυναμικά, στο εύρος +1.5 έως +1.75 V vs SCE. Αφού επιβεβαιώθηκε η καταλληλότητα του PbO2 ως ηλεκτροενεργό υλικό για τη συγκεκριμένη δράση, λόγω της υψηλής απαιτούμενης υπέρτασης για την αντίδρασης έκλυσης οξυγόνου (Oxygen Evolution Reaction, OER), ακολούθησε η μελέτη της εξαντλητικής ηλεκτρόλυσης λυμάτων Cr(III). Τα ηλεκτρόδια σε υπόστρωμα γραφίτη οδήγησαν σε πολύ χαμηλή μετατροπή του τρισθενούς χρωμίου σε εξασθενές, λόγω της ανταγωνιστικής OER που πραγματοποιούταν στο ίδιο εύρος δυναμικού, και επιπλέον το ηλεκτροαποτεθέν PbO2 αποσαρθρώθηκε μετά από 4h ηλεκτρόλυσης και το υπόστρωμα γραφίτη οξειδώθηκε. Αντίθετα, βελτιωμένη απόδοση σημειώθηκε για τη χρήση των ηλεκτροδίων PbO2 σε υπόστρωμα μολύβδου (PbO2/Pb). Οφείλει να τονιστεί πως σημαντική επίδραση στην απόδοση της διεργασίας είχε το pH του λύματος, που για τιμές pH= 0, 1.27, 3, για 8 ώρες εξαντλητικής ηλεκτρόλυσης, η συνολική μετατροπή του Cr(III) προς Cr(VI) βρέθηκε 10.23%, 19.10% και 49.96%, με απόδοση ρεύματος 9.21%, 17.19% και 44.96%, αντίστοιχα. Τέλος, μελετήθηκε η επίδραση χρήσης πορώδους διαφράγματος ανάμεσα στην άνοδο και την κάθοδο του ασυνεχούς αντιδραστήρα ηλεκτρόλυσης, με στόχο την ελαχιστοποίηση της επαναγωγής του ηλεκτροχημικά οξειδωμένου Cr(VI) στην κάθοδο, με αποτέλεσμα να επιτευχθεί μετατροπή του τρισθενούς χρωμίου σε εξασθενές ίση με 66.72% και απόδοση ρεύματος 60.05%.
description: In this study, the preparation of lead dioxide (PbO2) electrocatalysts took place for the electrochemical oxidation of Cr(III) from tannery effluents to Cr(VI). The preparation took place on Pb and Graphite substrates, with potentiostatic anodization at E= +1.95 V vs SCE for the lead substrate and the galvanostatic deposition of PbO2 at a steady current density of 2.5 mA cm-2 for the case of the graphite substrate. ¬After the electocatalysts’ preparation, their electrochemical characterization and the comparison of their catalytic ability towards the oxidation of Cr(III) took place with the use of cyclic voltammetry. The oxidation of trivalent chromium was found to take place at the potential range of +1.5 to +1.75 V vs SCE, and the suitability of PbO2 for Cr(III) oxidation was verified, since the competing Oxygen Evolution Reaction (OER) did not occur significantly at that potential range. Further on, the study of bulk electrolysis of Cr(III) waste took place, during which, it was found that the graphite substrate yielded low Cr(III) to Cr(VI) conversion rates and the electrodeposited PbO2 degraded after 4 hours, thus exposing the graphite substrate that had been oxidized during the reaction. In contrast, the PbO2/ Pb electrodes yielded more satisfactory conversion rates, with the waste solution’s pH affecting the Cr(III) oxidation and current efficiencies significantly. For the pH values of 0, 1.27, 3, and 8 hours of the waste solution’s bulk electrolysis, the recorded Cr(III) to Cr(VI) conversion percentages were 10.23%, 19.10% and 49.96%, with the respective recorded current efficiencies being 9.21%, 17.19% and 44.96%. Finally, the effect of separating the cathode from the anode by using a membrane was studied, aiming to prevent the electrochemically oxidized Cr(VI) from being reduced back to Cr(III) at the batch reactor’s cathode. By using a separating membrane to isolate the cathode, even higher conversion rates were achieved, with the oxidation percentage of Cr(III) to Cr(VI) reaching 66.72%, with the recorded current efficiency after 8 hours being 60.05%.