CN109809531B

CN109809531B - 一种铁络合型碳膜电Fenton阴极的制备与再生方法

Info

Publication number: CN109809531B
Application number: CN201910155594.6A
Authority: CN
Inventors: 汤茜; 高永慧; 石淑云; 杨春维; 孙玉伟; 郜航; 李冰伦; 周昊
Original assignee: Jilin Normal University
Current assignee: Jilin Normal University
Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2019-03-01
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2039-03-01
Also published as: CN109809531A

Abstract

本发明涉及一种应用于电Fenton体系的铁络合型碳膜气体扩散电极的制备与再生方法。由以下组分制备而成：掺氮石墨化碳纳米管、氧化石墨烯分散液、氢氧化钠、七水合硫酸亚铁、聚四氟乙烯乳液、无水乙醇、丙酮、去离子水、氧气、氮气。制备方法：(1)制备铁络合氧化石墨烯粉末(2)制备铁络合型碳膜气体扩散电极。电极再生方法：将气体扩散电极装在反应器中，通入氮气，放入电解液，在恒定的阴极电位下进行电还原再生，再生后的电极用去离子水洗，干燥即可。气体扩散电极在反应器中既充当了阴极的角色，按空气流动方向先后完成O₂催化还原和·OH生成反应，又同时兼顾布气作用，促进了液相区的传质。再生后电极性能与新电极相比基本没有变化。

Description

一种铁络合型碳膜电Fenton阴极的制备与再生方法

技术领域

本发明涉及电Fenton体系阴极材料制备及应用的技术领域，具体涉及一种铁络合型碳膜气体扩散电极的制备与再生方法。

背景技术

水资源污染已成为全球性问题，尤其是近些年来，水体中有机污染物的种类逐年增多，而且成分复杂、毒性较大、难生物降解。随着环保标准的日趋严格，一些常规的处理技术对于难降解有机物的治理难以达到令人满意的效果。因此，寻求高效、经济、环境友好的深度处理技术来控制难降解有机污染物的排放或修复已污染的水环境已是亟待解决的问题。

Fenton氧化技术是一个多世纪来在难降解有机物处理领域应用较为广泛的技术之一，以二价铁离子催化过氧化氢产生具有强氧化能力、高反应活性的羟基自由基(·OH)为特征，它可以无选择性地降解水体中的各种有机物。但传统的Fenton氧化技术在实际应用时存在以下几个缺点：(1)H₂O₂储存和运输存在风险且成本较高；(2)催化组分亚铁离子反应后转化为铁离子，回收困难，不易再生，而且在有机物降解过程中亚铁离子易与中间产物络合，导致有机物矿化效果下降；(3)反应体系需经pH值调节才能达到理想的降解效果，而反应后pH值的回调会产生大量铁污泥，增加处理成本。

针对Fenton氧化技术存在的上述缺点，非均相Fenton氧化、电Fenton氧化、光Fenton氧化等类Fenton技术应运而生。电Fenton氧化技术可通过O₂在阴极还原持续产生H₂O₂，避免了H₂O₂储存和运输带来的风险，而且操作可控，有利于调节最优反应变量；同时体系中生成的Fe³⁺可通过阴极进行还原再生，相比Fenton体系所需的Fe²⁺浓度减少；若采用含铁的固相催化剂或将活性组分Fe²⁺固定在电极上，反应的pH范围可适当拓宽，降低了pH值调节处理的成本。然而目前的电Fenton技术仍受到溶解氧浓度、H₂O₂产率、电极还原再生性能、有机物矿化效率等很多因素的限制难以工业化应用。因此，探索开发一种高效、再生性能好的电极材料，促进电Fenton技术在有机废水处理领域的实际应用，一直是国内外科研工作者关注的热点，有着重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁络合型碳膜气体扩散电极的制备与再生方法，将该电极用作电Fenton体系的阴极，活性组分铁以离子态络合的方式固定在电极上，同时可按O₂流动方向依次在电极上完成H₂O₂原位生成和Fenton反应，可解决目前电Fenton体系中存在的扩散传质效果差、H₂O₂产率低、Fe²⁺易络合失活且还原再生困难等问题。

本发明的技术方案是：

一种应用于电Fenton体系的铁络合型碳膜气体扩散电极的制备方法，

由以下各组分制备而成：

掺氮石墨化碳纳米管、氧化石墨烯分散液、氢氧化钠、七水合硫酸亚铁、聚四氟乙烯乳液、无水乙醇、丙酮、去离子水、氧气、氮气。

(1)制备铁络合氧化石墨烯粉末

①在100mL氢氧化钠溶液中，加入氧化石墨烯分散液，超声混合10min，混合液中氧化石墨烯、氢氧化钠和水的质量比为0.1:4:100；

②将氧化石墨烯和氢氧化钠的混合液，在常温下搅拌反应24h；

③将混合反应溶液置于离心分离管内，进行离心分离，分离转数10000r/min，分离后留存沉淀物，弃去分离液；

④将沉淀物用去离子水洗涤、离心分离，重复多次，直至分离液呈中性；

⑤配制1mol/L的硫酸亚铁溶液100mL，加入收集的固体沉淀物，超声分散10min；

⑥将超声分散液在常温下搅拌反应24h；

⑦将混合反应溶液置于离心分离管内，进行离心分离，分离转数10000r/min，分离后留存沉淀物，弃去分离液；

⑧将沉淀物用去离子水洗涤、离心分离，重复3次，除去沉淀物表面残留的硫酸亚铁溶液；

⑨将洗涤后的固体生成物置于真空干燥箱中，然后在-0.08MPa的真空度下于60℃干燥12h，冷却到室温，即得铁络合氧化石墨烯；

(2)制备铁络合型碳膜气体扩散电极

①将铁络合氧化石墨烯和聚四氟乙烯乳液按一定的质量比在无水乙醇中超声混合均匀，铁络合氧化石墨烯和聚四氟乙烯乳液的适宜质量比为3:1～8:1；

②将装有混合液的烧杯转移至集热式恒温加热磁力搅拌器中，于80℃搅拌至混合液形成膏状混合物；

③待膏状混合物冷却后，用手动压面机将其压制成厚度1mm左右的薄膜，并裁成直径为50mm的圆形，即得气体扩散电极的催化膜层；

④将掺氮石墨化碳纳米管和聚四氟乙烯乳液按一定的质量比在无水乙醇中超声混合均匀，掺氮石墨化碳纳米管和聚四氟乙烯乳液的适宜质量比为1:3～1:1；

⑤将装有混合液的烧杯转移至集热式恒温加热磁力搅拌器中，于80℃搅拌至混合液形成膏状混合物；

⑥待膏状混合物冷却后，用手动压面机将其压制成厚度1mm左右的薄膜，并裁成直径为50mm的圆形，即得气体扩散电极的扩散膜层；

⑦在催化膜层和扩散膜层之间用一块直径为50mm的圆形不锈钢网作为支撑体，在压片机中于20Mpa的压力下压制3min；

⑧将压制成型的电极放入丙酮溶液中浸泡24h，去除膜层表面残留的聚四氟乙烯；

⑨用去离子水洗涤2-3次后置于干燥箱中60℃干燥6h，冷却到室温，即得铁络合型碳膜气体扩散电极。

本发明的有益效果是：

1、本发明的电极制备方法简单，易于推广应用。

2、气体扩散电极在鼓泡式电Fenton反应器中的结构设计，既充当了阴极的角色，按空气流动方向先后完成O₂催化还原和·OH生成反应，又同时兼顾布气作用，气室中的空气通过气体扩散电极的微孔后形成很多细小均匀的气泡，促进了液相区的传质，省去了搅拌装置。

3、Fe²⁺以羧基络合的形式固定在气体扩散电极的催化膜层中，有效抑制了其与降解中间产物的络合，提升了污染物的矿化效果；而且Fe²⁺的再生可在同一个反应器中通过电还原再生，操作简单方便。

4、本申请电极再生后性能与新电极相比基本没有变化，电极的电还原再生性能较好。

附图说明

图1为铁络合前后氧化石墨烯的形貌对比图(a.氧化石墨烯；b.铁络合氧化石墨烯)。

图2为鼓泡式电Fenton反应器结构示意图。

图3为铁络合型碳膜气体扩散电极电Fenton体系中4-硝基酚去除率变化曲线(分别为初次使用和电还原一次和电还原两次后)。

图4为铁络合型碳膜气体扩散电极电Fenton体系中TOC去除率变化曲线(分别为初次使用和电还原一次和电还原两次后)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

实施例1

1、气体扩散电极制备方法：

本发明使用的化学物质材料为：

掺氮石墨化碳纳米管：NCNT，纯度>95％，外径10-30nm，长度5-15μm，氮含量为3.46wt％；

氧化石墨烯分散液：GO，浓度为4mg/mL；

氢氧化钠：NaOH，分析纯；

七水合硫酸亚铁：FeSO₄·7H₂O，分析纯；

聚四氟乙烯乳液；PTFE，浓度为60wt％；

无水乙醇：C₂H₆O，分析纯；

丙酮：CH₃COCH₃，分析纯；

去离子水：H₂O，电阻率≥18MΩ；

氧气：O₂，纯度≥99.999％；

氮气：N₂，纯度≥99.999％；

无水硫酸钠：Na₂SO₄，分析纯；

4-硝基酚：C₆H₅NO₃，分析纯。

(1)制备铁络合氧化石墨烯粉末

①称取4g NaOH溶于75mL去离子水中，加入25mL GO，超声混合10min；

④将沉淀物用去离子水洗涤、离心分离，重复多次，直至分离液的pH值为6.5-7.0；

⑤称取27.8010g FeSO₄·7H₂O溶于100mL去离子水中，加入收集的固体沉淀物，超声分散10min；

⑥将超声分散液在常温下搅拌反应24h；

⑧将沉淀物用去离子水洗涤、离心分离，重复3次，除去沉淀物表面残留的FeSO₄溶液；

⑨将洗涤后的固体生成物置于真空干燥箱中，然后在-0.08MPa的真空度下于60℃干燥12h，冷却到室温，即得铁络合氧化石墨烯。

(2)制备铁络合型碳膜气体扩散电极

①称取100mg铁络合氧化石墨烯置于烧杯中，加入20mg聚四氟乙烯PTFE乳液，在20mL无水乙醇中超声混合20min；

③待膏状混合物冷却后，用手动压面机将其压制成厚度1mm左右的薄膜，并裁成直径为50mm的圆形，即得气体扩散电极的催化膜层。

④称取50mg NCNT置于烧杯中，加入100mg PTFE乳液，在20mL无水乙醇中超声混合20min；

⑧将压制成型的电极放入丙酮溶液中浸泡24h，去除膜层表面残留的PTFE；

2、铁络合型碳膜气体扩散电极电Fenton降解4-硝基酚

采用图2所示的鼓泡式电Fenton反应器处理4-硝基酚模拟废水。具体试验条件如下：阳极为铂片电极(15×15mm)，阴极为铁络合型碳膜气体扩散电极(直径50mm)；反应液为400mL的0.1mol/L硫酸钠和10mg/L 4-硝基酚混合液，不调节pH值；反应所用气体为压缩空气，气体的流速为100mL/min进气反应器的气室；依次通过扩散膜层和催化膜层，分别进行O₂催化还原生成H₂O₂和Fe²⁺催化H₂O₂生成·OH反应。在5mA/cm²的电流密度下反应3h的结果如附图3所示。反应60min，4-硝基酚的去除率达98.8％；反应300min，TOC去除率达87.4％，能有效处理有机废水。

本申请的鼓泡式电Fenton反应器采用现有技术中的常规结构。现申请人对本申请中应用的反应器结构结合附图进行简单介绍如下：

①鼓泡式电Fenton反应器如图2所示，包括环形气室、液相反应区、气体扩散电极、阳极、参比电极；

②气室通过有机玻璃管与四周隔开形成一个环形区域，气室的底端通过有机玻璃管、乳胶管、气体流量计与气瓶或压缩气泵相连，气室的上端通过气体扩散电极与液相反应区相隔；

③气体扩散电极的催化膜层朝向液相反应区，扩散膜层朝向气室，并与电源线相连，电源线通过有机玻璃管导出至反应装置外侧与电源装置连接；

④阳极可选用铂片电极、钛基二氧化铅电极、石墨电极；

⑤参比电极可选用饱和甘汞电极、Ag/AgCl电极；

⑥进行电Fenton反应时，氧气或空气按气体流动方向先后完成过氧化氢原位生成和Fenton氧化降解有机物，同时未参与反应的氮气或氧气经过气体扩散电极的微孔后形成了很多细小均匀的气泡，促进了液相区的传质，省去了搅拌装置。

3、电还原再生铁络合型碳膜气体扩散电极

催化膜层上络合的Fe²⁺在经过一个周期的电Fenton反应后会有部分转化为Fe³⁺，导致体系中有机物的降解速率下降。这时可以在同一反应器中对电极进行电还原再生，将反应器底部通入的空气用N₂代替，电解液为0.1mol/L的硫酸钠溶液，在指定的阴极电位下电还原再生30min。再生后的电极即可进行下一周期的电Fenton降解实验。

气体扩散电极的操作方法同上面的铁络合型碳膜气体扩散电极电Fenton降解4-硝基酚的操作方法相同。

详细方法，铁络合型碳膜气体扩散电极的再生在如图2所示的反应器中进行，具体操作条件如下：阳极可以选择很多材料，本实验为铂片电极(15×15mm)，阴极为需再生的铁络合型碳膜气体扩散电极(直径50mm)，参比电极为饱和甘汞电极；反应液为400mL的0.1mol/L硫酸钠溶液，不调节pH值；反应所用气体为高纯氮气，气体的流速为100mL/min；在-0.8V的阴极电位下电还原再生30min。再生后的电极用与上述(3)相同的试验条件测试再生效果，结果如附图3所示。再生后电极的性能与新电极相比，4-硝基酚的去除率和TOC去除率均无明显下降，60min时4-硝基酚的去除率均能达到95％以上，300min时TOC去除率均能达到80％以上，电极的电还原再生性能较好。

实施例2

铁络合氧化石墨烯粉末和铁络合型碳膜气体扩散电极的制备步骤和用量同实施例1。

采用图2所示的鼓泡式电Fenton反应器处理亚甲基蓝模拟废水。具体试验条件如下：阳极为石墨电极(50×40mm)，阴极为铁络合型碳膜气体扩散电极(直径50mm)；反应液为400mL的0.1mol/L硫酸钠和10mg/L亚甲基蓝混合液，不调节pH值；反应所用气体为压缩空气，气体的流速为100mL/min；在5mA/cm²的电流密度下反应90min时溶液可完全脱色，反应300min时溶液TOC去除率可达60.3％，能有效处理有机废水。

铁络合型碳膜气体扩散电极的再生在如图2所示的反应器中进行，具体操作条件如下：阳极为石墨电极(50×40mm)，阴极为需再生的铁络合型碳膜气体扩散电极(直径50mm)，参比电极为饱和甘汞电极；反应液为400mL的0.1mol/L硫酸钠溶液，不调节pH值；反应所用气体为高纯氮气，气体的流速为100mL/min；在-1.0V的阴极电位下电还原再生20min。再生后电极的性能与新电极相比，亚甲基蓝的去除率和TOC去除率均无明显下降，电极的电还原再生性能较好。

附图详细说明：

图1(a)、(b)分别为铁络合前、后氧化石墨烯的形貌，铁络合后的氧化石墨烯形貌无明显变化，仍为层状结构，铁络合的质量占比为12.08％。

图2为鼓泡式电Fenton反应器的结构示意图，包括环形气室、液相反应区、气体扩散电极、阳极、参比电极(电极还原再生时放入)。环形气室的底端与气瓶或压缩气泵相连，上端通过气体扩散电极与液相反应区相隔；气体扩散电极的催化膜层朝向液相反应区，扩散膜层朝向气室，并与电源线相连；阳极可选用铂片电极、钛基二氧化铅电极、石墨电极；参比电极可选用饱和甘汞电极、Ag/AgCl电极。氧气或空气按气体流动方向先后完成过氧化氢原位生成和Fenton氧化降解有机物，同时未参与反应的氮气或氧气经过气体扩散电极的微孔后形成了很多细小均匀的气泡，省去了搅拌装置。

图3为铁络合型碳膜气体扩散电极在电Fenton氧化降解4-硝基酚体系中，初次使用和电还原再生一次、两次后使用，4-硝基酚去除率与TOC去除率随时间的变化曲线图。图中可见：在初始浓度为10mg/L的4-硝基酚模拟废水中，新电极和-0.8V下电还原再生后的电极电Fenton降解曲线无明显差异，60min时4-硝基酚的去除率均能达到95％以上，300min时TOC去除率均能达到80％以上。

Claims

1.一种应用于电Fenton体系的铁络合型碳膜气体扩散电极的制备方法，其特征在于：

由以下各组分制备而成：

掺氮石墨化碳纳米管、氧化石墨烯分散液、氢氧化钠、七水合硫酸亚铁、聚四氟乙烯乳液、无水乙醇、丙酮、去离子水、氧气、氮气；

(1)制备铁络合氧化石墨烯粉末

⑥将超声分散液在常温下搅拌反应24h；

(2)制备铁络合型碳膜气体扩散电极

①将铁络合氧化石墨烯和聚四氟乙烯乳液按一定的质量比在无水乙醇中超声混合均匀，铁络合氧化石墨烯和聚四氟乙烯乳液的适宜质量比为3:1-8:1；

2.根据权利要求1所述的一种应用于电Fenton体系的铁络合型碳膜气体扩散电极的制备方法，其特征在于：

氧化石墨烯分散液：GO，浓度为4mg/mL；

氢氧化钠：NaOH，分析纯；

七水合硫酸亚铁：FeSO₄·7H₂O，分析纯；

聚四氟乙烯乳液；PTFE，浓度为60wt％；

无水乙醇：C₂H₆O，分析纯；

丙酮：CH₃COCH₃，分析纯；

去离子水：H₂O，电阻率≥18MΩ；

氧气：O₂，纯度≥99.999％；

氮气：N₂，纯度≥99.999％；

无水硫酸钠：Na₂SO₄，分析纯。

3.一种应用于如权利要求1所述的制备方法制得的电Fenton体系的铁络合型碳膜气体扩散电极的再生方法，其特征在于：

①将气体扩散电极装在鼓泡式电Fenton反应器的气室与液相反应区之间，气体扩散电极的催化膜层朝向液相反应区，扩散膜层朝向气室，气体扩散电极与电源线相连，电源线与反应器外侧的电源装置连接；

②鼓泡式电Fenton反应器阳极可选用铂片电极或钛基二氧化铅电极或石墨电极；

③参比电极可选用饱和甘汞电极或Ag/AgCl电极；

④氮气以100mL/min的流速通入鼓泡式电Fenton反应器的气室，电解液为0.1mol/L的硫酸钠溶液；

⑤在恒定的阴极电位下进行电还原再生，适宜的阴极电位为-1.0V～-0.4V；电还原再生时间为20～60min；

⑥再生后的电极取出用去离子水冲洗3遍，置于干燥箱中60℃干燥2h，即可用于新一轮电Fenton反应。