CN110002546A - 一种活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极的制备及其应用 - Google Patents

一种活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极的制备及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种活化(Cu‑Fe‑Ce)/Al2O3的纳米粒子电极。通过浸渍法制备(Cu‑Fe‑Ce)/Al2O3的纳米粒子电极，然后用10％的硼氢化钠还原，使得活性Al2O3载体表面形成类原电池结构，在外加电场的作用下，加速电子转移和捕获，从而强化有机污染物在纳米粒子电极表面的催化氧化反应。该纳米粒子电极利用活性Al2O3高比表面积(280～360m2/g)，提高纳米粒子电极中活性组分的负载量，从而提高其催化氧化活性。本发明还公开了该纳米粒子电极的制备方法。

Description

一种活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极的制备及其应用
技术领域
本发明涉及电化学催化氧化技术领域，尤其涉及一种活化 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极的制备及其应用。
背景技术
电镀是利用电化学的方法对金属和非金属表面进行装饰、防护及获得某些新的性质的一种工艺过程，为保证电镀产品的质量，使金属镀层具有平整光滑的良好外观并与基体牢固结合，必须在镀前把镀件表面上的污物(油、锈、氧化皮等)彻底清洗干净，并在镀后把镀件表面的附着液清洗干净。因此，一般电镀生产过程中必然排出大量的废水。电镀废水，尤其是综合电镀废水具有污染物种类多、成分复杂、毒性大以及危害严重的特点，其主要污染物是多种重金属离子、氰化物、废酸和废碱等。
近年来，随着人们对环境生活质量要求的日益提高以及国家对环保重视的力度不断加强，对电镀废水的处理及排放日趋严格，废水回收要求也逐渐提高，环保已成为电镀企业生存和发展的首要前提，国家通过出台一系列政策措施和管理办法，也表达了对电镀废水处理的决心。
传统电镀废水处理方法是：先加碱调节pH，形成重金属氢氧化物颗粒，然后投加聚合氯化铝、三氯化铁等絮凝剂，再投加聚丙烯酰胺等助凝剂，使其形成大的钒花，在沉淀池中进行泥水分离。有时沉淀池出水重金属仍不能达标，在出水中再添加硫化钠等试剂，然后再进行膜过滤。传统的处理工艺操作简单、对操作人员要求比较低，出水中的重金属含量基本可以达到 GB21900-2008表2标准。但这种工艺缺点也比较明显：占地面积大、药剂投加量大、污泥产量高、处理成本高。尤其是，传统工艺的处理效果不稳定，容易产生波动，时常有不达标的情况发生。
为了全面攻关电镀废水处理技术，根据化学处理方法研究，目前的水平难以稳定满足《电镀污染物排放标准 GB21900-2008》表3标准要求。即电絮凝技术电化学处理方法主要研究方向之一，仍面临的诸多瓶颈：一、由于原水成分复杂、污染物多，处理后的重金属含量难以稳定达到表3标准；二、由于不同重金属的原水混合，造成了水处理过程不稳定；三、随着处理时间的延长，电极板会产生极化和钝化现象，使处理的效能和稳定性受到严重影响。这些问题一直是电化学技术处理电镀废水遇到的技术瓶颈。
电化学催化氧化技术是一种新型的电化学水处理技术。而传统的电催化催化氧化技术存在两种缺陷：第一、当采用二维电极时，电流效率低、化学反应慢，电耗高，不适用于预算成本相对较低的电镀废水尾水处理；第二是现有的改进技术，一般是将阳极做成三维结构，从而提高反应的催化活性，但制造成本高，而且电极表面容易被污染物附着堵塞，导致催化活性失效。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种活化 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，其以浸渍-还原法制备，使得活性Al2O3载体表面形成类原电池结构，在外加电场的作用下，加速电子转移和捕获，从而强化有机污染物在纳米粒子电极表面的催化氧化反应。所述活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极作为纳米粒子电极，改性的钛板电极和改性的石墨电极分别作为阳极材料和阴极材料，以三维电极催化氧化技术处理电镀废水。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种活化 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，以如下方法制备：
(1)将铜盐、铁盐和铈盐加入到去离子水中，磁力搅拌；
(2)在步骤(1)形成的均匀溶液中加入柠檬酸盐，继续搅拌直至全部溶解；
(3)将步骤(2)形成的均匀溶液，转移至装有活性Al2O3的容器中；
(4)将其转移至恒温振荡器中，反应；
(5)将步骤(4)中的溶液经过过滤、洗涤和干燥，得到 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极的前驱体；
(6)将步骤(5)中得到的前驱体，转移至马弗炉中，然后进行程序升温，先从室温升至200℃，再从200℃升至500℃，待其冷却后，所得样品即为(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极；
(7)用10％的硼氢化钠还原步骤(6)中所得到的 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，即为活化的(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极。
优选的，步骤(2)中柠檬酸盐的加入量是至柠檬酸盐 /(Cu+Fe+Ce)的摩尔比为1∶1。
优选的，步骤(3)中活性Al2O3粒径为3～5mm。
优选的，步骤(4)的反应为10小时。
优选的，步骤(5)的干燥温度为80℃。
优选的，步骤(6)程序升温的步骤是：升温速率为10℃/min，从室温升至200℃，保持60min；再以升温速率为5℃/min，从 200℃升至500℃，保持180min。
优选的，步骤(7)中的硼氢化钠是浓度为10％的硼氢化钠。
优选的，所述铜盐为硝酸铜、氯化铜或硫酸铜。
优选的，所述铁盐为硝酸铁、氯化铁、氯化亚铁、硫酸铁或硫酸亚铁。
优选的，所述铈盐为硝酸铈、硫酸铈或醋酸铈。
优选的，所述柠檬酸盐为一水合柠檬酸钠或三水合柠檬酸钠。
优选的，所述活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极的比表面积为280～360m2/g，孔容为0.38～0.40cm3/g。
优选的，所述Cu-Fe-Ce组成活性组分，所述活性组分中Cu、 Fe、Ce的摩尔比为2∶2∶1或4∶4∶1。
优选的，所述活性组分含量为10wt％-30wt％。
活性组分的比例跟纳米粒子电极的活性有关。
本发明还提供一种活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极的应用，所述活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极应用于三维电极催化氧化技术处理电镀废水，即以改性的钛板电极和改性的石墨电极分别作为阳极材料和阴极材料，再加上所述活化 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极组成三维电极，在曝气条件下，添加双氧水，处理电镀废水。
优选的，所述双氧水是30％的双氧水。
优选的，所述钛板电极为添加RuO2和IrO2的钛电极。
本发明通过浸渍法制备(Cu-Fe-Ce)/Al2O3的纳米粒子电极，然后用10％的硼氢化钠还原，使得活性Al2O3载体表面形成类原电池结构，在外加电场的作用下，加速电子转移和捕获，从而强化有机污染物在纳米粒子电极表面的催化氧化反应。此外，该纳米粒子电极利用活性Al2O3高比表面积(280～360m2/g)，提高纳米粒子电极中活性组分的负载量，从而提高其催化氧化活性。本发明的活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3的纳米粒子电极应用于三维电极催化氧化技术处理电镀废水，由改性的钛板电极，改性的石墨电极，活化的(Cu-Fe-Ce)/Al2O3的纳米粒子电极和曝气系统等组成，处理效率高、耗电量低、性能稳定、使用寿命长。
具体实施方式
实施例1
(1)将硝酸铜、硝酸铁和硝酸铈按照2∶2∶1的比例加入到盛有 100mL去离子水的烧杯中，磁力搅拌；
(2)在步骤(1)形成的均匀溶液中加入一水柠檬酸钠，至柠檬酸钠/(Cu+Fe+Ce)的摩尔比为1∶1，继续搅拌直至全部溶解；
(3)将步骤(2)形成的均匀溶液，转移至装有活性Al2O3的锥形瓶中，活性Al2O3粒径为3～5mm，活性Al2O3质量约为100g；
(4)将其转移至恒温振荡器中，反应10h；
(5)将步骤(4)中的溶液经过过滤、洗涤和80℃干燥，得到 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极的前驱体；
(6)将步骤(5)中得到的前驱体，转移至马弗炉中，然后进行程序升温，以升温速率为10℃/min，从室温升至200℃，保持60min；再以升温速率为5℃/min，从200℃升至500℃，保持180min；待其冷却后，所得样品即为(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极；
(7)用10％的硼氢化钠还原步骤(6)中所得到的 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，即为活化的 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，标记为A。
实施例2
(1)将硝酸铜、硝酸铁和硝酸铈按照4∶4∶1的比例加入到盛有 100mL去离子水的烧杯中，磁力搅拌；
(2)在步骤(1)形成的均匀溶液中加入一水柠檬酸钠，至柠檬酸钠/(Cu+Fe+Ce)的摩尔比为1∶1，继续搅拌直至全部溶解；
(3)将步骤(2)形成的均匀溶液，转移至装有活性Al2O3的锥形瓶中，活性Al2O3粒径为3～5mm，活性Al2O3质量约为100g；
(4)将其转移至恒温振荡器中，反应10h；
(5)将步骤(4)中的溶液经过过滤、洗涤和80℃干燥，得到 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极的前驱体；
(6)将步骤(5)中得到的前驱体，转移至马弗炉中，然后进行程序升温，以升温速率为10℃/min，从室温升至200℃，保持60min；再以升温速率为5℃/min，从200℃升至500℃，保持180min；待其冷却后，所得样品即为(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极；
(7)用10％的硼氢化钠还原步骤(6)中所得到的 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，即为活化的 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，标记为B。
实施例3
(1)将氯化铜、氯化铁和硝酸铈按照2∶2∶1的比例加入到盛有 100mL去离子水的烧杯中，磁力搅拌；
(2)在步骤(1)形成的均匀溶液中加入一水柠檬酸钠，至柠檬酸钠/(Cu+Fe+Ce)的摩尔比为1∶1，继续搅拌直至全部溶解；
(3)将步骤(2)形成的均匀溶液，转移至装有活性Al2O3的锥形瓶中，活性Al2O3粒径为3～5mm，活性Al2O3质量约为100g；
(4)将其转移至恒温振荡器中，反应10h；
(5)将步骤(4)中的溶液经过过滤、洗涤和80℃干燥，得到 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极的前驱体；
(6)将步骤(5)中得到的前驱体，转移至马弗炉中，然后进行程序升温，以升温速率为10℃/min，从室温升至200℃，保持60min；再以升温速率为5℃/min，从200℃升至500℃，保持180min；待其冷却后，所得样品即为(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极；
(7)用10％的硼氢化钠还原步骤(6)中所得到的 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，即为活化的 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，标记为C。
实施例4
(1)将氯化铜、氯化铁和硝酸铈按照4∶4∶1的比例加入到盛有 100mL去离子水的烧杯中，磁力搅拌；
(2)在步骤(1)形成的均匀溶液中加入一水柠檬酸钠，至柠檬酸钠/(Cu+Fe+Ce)的摩尔比为1∶1，继续搅拌直至全部溶解；
(3)将步骤(2)形成的均匀溶液，转移至装有活性Al2O3的锥形瓶中，活性Al2O3粒径为3～5mm，活性Al2O3质量约为100g；
(4)将其转移至恒温振荡器中，反应10h；
(5)将步骤(4)中的溶液经过过滤、洗涤和80℃干燥，得到 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极的前驱体；
(6)将步骤(5)中得到的前驱体，转移至马弗炉中，然后进行程序升温，以升温速率为10℃/min，从室温升至200℃，保持60min；再以升温速率为5℃/min，从200℃升至500℃，保持180min；待其冷却后，所得样品即为(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极；
(7)用10％的硼氢化钠还原步骤(6)中所得到的 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，即为活化的 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，标记为D。
将上述制备得到的活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极进行三维电极催化氧化处理电镀废水实验，以改性的钛板电极和改性的石墨电极分别作为阳极材料和阴极材料，以本发明实施例制备的活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3材料作为纳米粒子电极，在曝气条件下，添加30％的双氧水，处理电镀废水，实验结果见表1。
表1本发明纳米粒子电极进行三维电极催化氧化实验结果
可见，本发明制备的活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，与改性的钛板电极和改性的石墨电极一起，处理电镀废水，处理效率高、处理效果稳定，处理后的重金属含量稳定达到《电镀污染物排放标准GB21900-2008》表3标准要求。
本发明的活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极以浸渍-还原法制备，使得活性Al2O3载体表面形成类原电池结构，在外加电场的作用下，加速电子转移和捕获，从而强化有机污染物在纳米粒子电极表面的催化氧化反应。此外，该纳米粒子电极利用活性 Al2O3高比表面积(280～360m2/g)，提高纳米粒子电极中活性组分的负载量，从而提高其催化氧化活性。本发明的活化 (Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极应用于三维电极催化氧化技术处理电镀废水，处理效率高、耗电量低、性能稳定、使用寿命长。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，其特征在于，所述活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极以如下方法制备：
(1)将铜盐、铁盐和铈盐加入到去离子水中，磁力搅拌；
(2)在步骤(1)形成的均匀溶液中加入柠檬酸盐，继续搅拌直至全部溶解；
(3)将步骤(2)形成的均匀溶液，转移至装有活性Al2O3的容器中；
(4)将其转移至恒温振荡器中，反应；
(5)将步骤(4)中的溶液经过过滤、洗涤和干燥，得到(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极的前驱体；
(6)将步骤(5)中得到的前驱体，转移至马弗炉中，然后进行程序升温，先从室温升至200℃，再从200℃升至500℃，待其冷却后，所得样品即为(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极；
(7)用硼氢化钠还原步骤(6)中所得到的(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，即为活化的(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极。
2.如权利要求1所述的活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，其特征在于，所述铜盐为硝酸铜、氯化铜或硫酸铜。
3.如权利要求1所述的活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，其特征在于，所述铁盐为硝酸铁、氯化铁、氯化亚铁、硫酸铁或硫酸亚铁。
4.如权利要求1所述的活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，其特征在于，所述铈盐为硝酸铈、硫酸铈或醋酸铈。
5.如权利要求1所述的活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，其特征在于，所述柠檬酸盐为一水合柠檬酸钠或三水合柠檬酸钠。
6.如权利要求1～5任一所述的活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，其特征在于，所述活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极的比表面积为280～360m2/g，孔容为0.38～0.40cm3/g。
7.如权利要求1～5任一所述的活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，其特征在于，所述Cu-Fe-Ce组成活性组分，所述活性组分中Cu、Fe、Ce的摩尔比为2∶2∶1或4∶4∶1。
8.如权利要求7所述的活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，其特征在于，所述活性组分含量为10wt％-30wt％。
9.如权利要求1～5任一所述的活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极，其特征在于，所述步骤(2)中柠檬酸盐的加入量是至柠檬酸盐/(Cu+Fe+Ce)的摩尔比为1∶1。
10.一种活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极的应用，其特征在于，所述活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极应用于三维电极催化氧化技术处理电镀废水，即以改性的钛板电极和改性的石墨电极分别作为阳极材料和阴极材料，再加上所述活化(Cu-Fe-Ce)/Al2O3纳米粒子电极组成三维电极，在曝气条件下，添加双氧水，处理电镀废水。
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