CN110585916B - 电芬顿催化氧化去除气态污染物的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电芬顿催化氧化去除气态污染物的方法及其装置。其中，所述电芬顿催化氧化去除气态污染物的装置包括电化学反应器，所述电化学反应器包括电源、阳极、阴极、质子交换膜、阳极气流通道及阴极气流通道，所述质子交换膜设于所述阳极和所述阴极之间，所述阳极设于所述阳极气流通道内，所述阴极设于所述阴极气流通道内，所述阴极为负载过渡金属催化剂的多孔导电吸附材料电极。阴极电化学还原氧气产生过氧化氢，负载在阴极表面的芬顿催化剂催化分解过氧化氢产生羟基自由基活性物种，羟基自由基进而氧化去除气态有机污染物，通过阳极电解水或水蒸气产生氧气。本发明的技术方案能够有效地去除气态污染物，应用范围广泛。

Description

电芬顿催化氧化去除气态污染物的方法及其装置

技术领域

本发明涉及气态污染物技术领域，特别涉及一种电芬顿催化氧化去除气态污染物的方法及其装置。

背景技术

空气中气态污染物主要来源于人类活动(工业生产、燃煤、机动车尾气等)和自然过程排放，具有毒性、致癌性及恶臭等特点，同时还是通过光化学反应生产二次气溶胶和臭氧的重要前体物之一。目前，去除气态污染物的方法主要有物理吸附、臭氧氧化、光催化、热催化氧化以及等离子体方法，但是这些去除方法普遍存在能耗高、具有安全隐患及产生二次污染等问题，应用范围受到限制。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种电芬顿催化氧化去除气态污染物的方法及其装置，旨在有效地去除气态污染物，应用范围较为广泛。

为实现上述目的，本发明提出的去除气态污染物的装置，包括电化学反应器，所述电化学反应器包括电源、阳极、阴极、质子交换膜、阳极气流通道及阴极气流通道，所述质子交换膜设于所述阳极和所述阴极之间，所述阳极设于所述阳极气流通道内，所述阴极设于所述阴极气流通道内，所述阴极为负载电芬顿催化剂的多孔导电吸附材料电极。

可选地，所述电芬顿催化剂的活性成分为铁、钴、镍、锰及铈的氧化物、氢氧化物及其合金的至少一种。

可选地，所述电芬顿催化剂的活性成分为多聚磷酸与铁离子的络合物、磷酸铁锂及金属有机骨架材料中的至少一种。

可选地，所述多孔导电吸附材料电极为活性炭纤维、石墨烯、碳纳米管、氮掺杂石墨烯中的一种。

可选地，所述电芬顿催化剂的负载量范围为0.1％-50％。

可选地，所述阳极为石墨电极、金属电极、金属合金电极、金属氧化物电极中的至少一种。

可选地，所述金属电极为锡电极、铬电极、镍电极、锰电极、钌电极、铱电极、铁电极、铑电极、钯电极、铂电极、铅电极及钽电极中的至少一种。

可选地，所述电化学反应器设置有多个，多个所述电化学反应器并联或串联设置。

可选地，所述电化学反应器设置有多个，多个所述电化学反应器并联设置，相邻两个所述电化学反应器之相对电极位于同一气流通道内，且位于同一气流通道的两个电极极性相同；和/或，所述电化学反应器设置有多个，多个所述电化学反应器串联设置，相邻两个所述电化学反应器之相对电极位于同一气流通道内，且位于同一气流通道的两个电极极性相同。

本发明还提出了一种去除气态污染物的方法，应用于如前所述的去除气态污染物的装置，所述去除气态污染物的方法包括以下步骤：

将含气态污染物的空气通入阴极气流通道内，将水或含水蒸汽的空气通入阳极气流通道内，并在所述阳极和所述阴极之间施加0.5V-36V的直流电压；

预设时间后分别监测阴极气流通道的出气口处气态污染物的浓度。

本发明的技术方案，由于阴极采用负载电芬顿催化剂的多孔导电吸附材料电极，能够将氧气还原成过氧化氢，过氧化氢与催化剂通过芬顿反应生成羟基自由基等活性物种，羟基自由基等活性物种与气态污染物反应以实现对其有效去除。并且电芬顿催化剂的活性较高，稳定性较好，有助于污染物去除率的提高。并且该催化剂能够高效催化分解多种气态污染物，应用范围较广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明去除气态污染物的装置一实施例的结构示意图；

图2为本发明去除气态污染物的装置另一实施例的结构示意图；

图3为本发明去除气态污染物的方法中不同电压下苯污染物的降解率示意图；

图4为本发明去除气态污染物的方法中2.2V电压下苯污染物的降解率随电解时间的变化示意图；

图5为不同碳材料电极作为阴极基体在2.3V电压下苯的降解率；

图6为不同碳材料电极作为阴极基体在2.3V电压时苯降解率达90％的总流速；

图7为不同电芬顿催化剂作为阴极在2.2V电压下苯污染物的降解率；

图8为不同电芬顿催化剂作为阴极在2.2V电压下苯污染物的降解率；

图9为不同阳极材料在2.2V电压下苯污染物的降解率；

图10为不同气态污染物降解率达95％时的施加电压。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	电化学反应器	30	阳极气流通道
10	阳极	40	阴极气流通道
				20	阴极	50	质子交换膜

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种去除气态污染物的装置，用于去除气态污染物。

请参阅图1，在本发明去除气态污染物的装置一实施例中，去除气态污染物的装置包括电化学反应器100，电化学反应器100包括电源、阳极10、阴极20、质子交换膜50、阳极气流通道30及阴极气流通道40，质子交换膜50设于阳极10和阴极20之间，阳极10设于阳极气流通道30内，阴极20设于阴极气流通道40内，阴极20为负载电芬顿催化剂的多孔导电吸附材料电极。

这里电源采用直流电源，阴极20采用负载电芬顿催化剂的碳材料电极，将阴极20与阳极10之间放置质子交换膜50，并将阳极10、质子交换膜50及阴极20三层材料夹紧，且阳极10的表面设置有阳极气流通道30，阴极20的表面设置有阴极气流通道40，同时将阳极10和阴极20通过导线分别连接直流电源的正极和负极，便可得到去除气态污染物的装置。由于阴极20采用负载电芬顿催化剂的活性成分，能够使得气态污染物充分电芬顿氧化，即在直流电的作用下，氧气在阴极20上电化学还原生成过氧化氢，过氧化氢进而与负载在阴极20表面的芬顿催化剂作用产生羟基自由基活性物种，这些活性物种随后氧化去除的气态污染物，并杀灭的致病菌、灭活病毒。这里采用碳材料电极，碳材料具有较高的比表面积，在气相电芬顿反应过程中可以有效吸附污染物在其表面并氧化降解；碳材料具有很好的物理化学性质，在电化学反应中相对稳定。

需要说明的是，这里多孔导电吸附材料可以是多孔碳材料或者其他多孔导电吸附材料，均在本发明的保护范围内。

因此，可以理解的，本发明的技术方案，由于阴极20采用负载电芬顿催化剂的碳材料电极，能够将氧气还原成过氧化氢，过氧化氢与含铁催化剂通过芬顿反应生成羟基自由基等活性物种，羟基自由基等活性物种与气态污染物反应以实现对其有效去除。并且电芬顿催化剂的活性较高，稳定性较好，有助于污染物去除率的提高。并且该催化剂能够高效催化分解多种气态污染物，应用范围较广。

需要说明的是，去除气态污染物的装置还包括输送设备和输送管道，其中的输送管道与阳极气流通道30连通，输送管道与阴极气流通道40连通，输送管道上均设置有输送设备，输送设备为风机或气泵、水泵。

可选地，电芬顿催化剂的活性成分为铁、钴、镍、锰及铈的氧化物、氢氧化物及其合金的至少一种。铁、钴、镍、锰及铈的氧化物、氢氧化物及其合金均可作为电芬顿催化剂的活性成分，在使用时可选用其中的一种或多种组合。

可选地，电芬顿催化剂的活性成分为多聚磷酸与铁离子的络合物、磷酸铁锂及金属有机骨架材料中的至少一种。多聚磷酸与铁离子的络合物、磷酸铁锂及金属有机骨架材料也可作为芬顿催化剂，在使用时也可选用其中的一种或多种组合。

可选地，多孔导电吸附材料电极为活性炭纤维、石墨烯、碳纳米管、氮掺杂石墨烯中的一种。在制备阴极20时，多孔导电吸附材料电极可选用这些物质的一种。

可选地，电芬顿催化剂的负载量范围为0.1％-50％。比如电芬顿催化剂的负载量为0.1％、1％、10％、20％、40％或50％。优选地，负载量为1％-5％，比如为1％、2％、3％、4％或5％。

可选地，阳极10为石墨电极、金属电极、金属合金电极、金属氧化物电极中的至少一种。

可选地，金属电极为锡电极、铬电极、镍电极、锰电极、钌电极、铱电极、铁电极、铑电极、钯电极、铂电极、铅电极及钽电极中的至少一种。金属电极可选用其中的一种或多种组合。

可以理解的，金属合金可以采用锡、铬、镍、锰、钌、铱、铁、铑、钯、铂、铅及钽的合金，金属氧化物也可选用这些金属的氧化物。

在本发明的一实施例中，电化学反应器100设置有多个，多个电化学反应器100并联设置。可以理解的，这里多个电化学反应器100并联设置，且相邻两个电化学反应器100隔开设置，这样可以利用多个电化学反应器100同时对气态污染物进行降解处理，如此可以增大单位时间内气体的处理量，提高其去除效率。需要说明的是，这里相邻两个电化学反应器100之相对电极的极性可以相同，也可以相反，在此不作限制。也即，相邻两个电化学反应器100的相对电极可以同为阴极20、同为阳极10，或者，一个为阴极20一个为阳极10。

在本发明的一实施例中，电化学反应器100设置有多个，多个电化学反应器100串联设置。多个电化学反应器100串联的设置，使得含有污染物的空气依次通过多个电化学反应器100，最终实现污染物的彻底去除。同样地，这里相邻两个电化学反应器100之相对电极的极性可以相同，也可以相反，在此不作限制。

请参阅图2，在本发明的一实施例中，电化学反应器100设置有多个，多个电化学反应器100并联设置，相邻两个电化学反应器100之相对电极位于同一气流通道内，且位于同一气流通道的两个电极极性相同。如此的设置，可以使得相邻两个电化学反应器100之间的间距相对减小，从而相对减小整体装置的占用尺寸，其装置的空间利用率大大提高。

在本发明的一实施例中，电化学反应器100设置有多个，多个所述电化学反应器100串联设置，相邻两个所述电化学反应器100之相对电极位于同一气流通道内，且位于同一气流通道的两个电极极性相同。同样地，这样的设置也可相对减小整体装置的占用尺寸，大大提高其装置的空间利用率。

本发明还提出了一种去除气态污染物的方法，应用于如前所述的去除气态污染物的装置，该去除气态污染物的方法包括以下步骤：

将含气态污染物的空气通入阴极气流通道40内，将水或含水蒸汽的空气通入阳极气流通道30内，并在所述阳极10和所述阴极20之间施加0.5V-36V的直流电压。

这里直流电压范围优选2V-5V，比如施加的电压为2V、3V、4V或5V。通过调节直流电压和气体流量使得气态污染物充分电芬顿氧化，从而使得气态污染物的去除效率达到最佳。水在阳极10电解产生氧气，氧气释放至空气中，可以循环至阴极20区使用，如此便可实现资源的循环利用。

需要说明的是，这里是将含气态污染物的空气连续不断地通入阳极气流通道30内和阴极气流通道40内。待气体稳定后，利用仪器检测阳极气流通道30和阴极气流通道40出气口处的气态污染物的浓度。当然地，也可以是检测经该装置处理后的空气中气态污染物的污染。

以下通过具体实施例对本发明去除气态污染物的方法及其装置进行详细说明。

实施例1

(1)阴极的制备：将10mg氧化铁催化剂超声分散到5mL全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物(Nafion)和异丙醇的混合液中，然后将分散液喷涂到16平方厘米的碳纸表面制得电芬顿负载空气扩散电极。

(2)电化学反应器的组装：将步骤(1)制备的阴极、石墨电极作为阳极及质子交换膜(如Nafion 115)夹紧，阳极的表面设置阳极气流通道，阴极的表面设置阴极气流通道。同时将阳极和阴极通过导线分别连接直流电源的正极和负极，便可得到电化学反应器。

(3)利用步骤(2)的电化学反应器件去除气态污染物的方法，包括以下步骤：将含有苯的气体通入阴极气流通道，有机污染物苯的浓度为10ppm，以空气作平衡气，总流量为20mL/min。通过水泵将水持续通入阳极气流通道，流量为10mL/min。然后在阴极和阳极间施加直流电压，并监测稳定时阴极气流通道出气口苯污染物的浓度，催化性能参见图3和图4。

由图3中可以看出，随着电解电压的增加，苯的降解率呈现增大的趋势。且当施加2.1V、2.2V或2.3V的电压时，苯的降解率较高。同时检测在施加电压为2.2V的条件下，观察苯的降解率随电解时间的变化，具体结果见图4，由图中看出，在施加电压为2.8V的条件下，苯的降解率保持稳定。

实施例2

采用不同的多孔导电吸附材料电极作为阴极进行去除苯污染物的试验，其中阴极中含铁催化剂采用氧化铁催化剂，多孔导电吸附材料电极选用活性炭纤维、碳纳米管、石墨烯和氮掺杂石墨烯，具体操作为：将10mg氧化铁催化剂超声分散到5mL Nafion和异丙醇的混合液中，然后将分散液分别喷涂到16平方厘米的活性炭纤维、碳纳米管、石墨烯和氮掺杂石墨烯的表面制得不同的阴极。以石墨棒作为阳极，采用与实施例1相同的方法组装不同的电化学反应器，并应用每一电化学反应器进行试验，具体操作为：将含有苯的气体通入靠近阴极表面的气流通道，有机物污染物苯的浓度为10ppm，以空气作平衡气，控制总流量为20mL/min。通过水泵将水持续通入靠近阳极表面的通道中，流量为10mL/min。然后在阴极和阳极间施加2.3V的直流电压，并监测稳定时阴极气流通道出气口苯污染物的浓度，催化性能参见图5和图6。

由图5可知，采用不同的多孔导电吸附材料电极作为阴极基体，在一定的直流电压下，苯的降解率不同，其中采用石墨烯和氮掺杂石墨烯作为多孔导电吸附材料电极时，苯污染物的降解率相对较高。同时由图6可以看出，在采用氮掺杂石墨烯作为多孔导电吸附材料电极时，施加2.3V电压时苯降解率达90％的总流速较大，由此可以得到，采用石墨烯和氮掺杂石墨烯作为多孔导电吸附材料电极可以较为高效地去除苯污染物。

实施例3

采用不同电芬顿催化剂的阴极进行去除苯污染物的试验，其中，电芬顿催化剂采用氧化铁催化剂、四氧化三铁催化剂、氧化镍催化剂、四氧化三钴催化剂、二氧化锰催化剂、二氧化铈催化剂及氢氧化铁镍催化剂、氢氧化铁镍催化剂、氧化铬催化剂、氢氧化铁催化剂、四聚磷酸钠、硫酸铁、三聚磷酸钠和氯化铁，碳材料电极选用活性碳纤维，具体操作为：分别将10mg氧化铁、四氧化三铁、氧化镍、四氧化三钴、二氧化锰、二氧化铈和氢氧化铁催化剂超声分散到5mL Nafion和异丙醇的混合液中，然后将分散液分别喷涂到16平方厘米的活性炭纤维表面制得不同的电芬顿负载空气扩散电极，也即不同的阴极。以石墨棒作为阳极，采用与实施例1相同的方法组装不同的电化学反应器，并应用每一电化学反应器进行试验，具体操作为：将含有苯的气体通入靠近阴极表面的气流通道，有机物污染物苯的浓度为10ppm，以空气作平衡气，控制总流量为20mL/min。通过水泵将水持续通入靠近阳极表面的通道中，流量为10mL/min。然后在阴极和阳极间施加2.2V的直流电压，并监测稳定时阴极气流通道出气口苯污染物的浓度，催化性能参见图7和图8。

由图7和图8可知，采用不同的电芬顿催化剂，在一定的电压下苯污染物的降解率不同，其中采用氧化铁、四氧化三钴、四聚磷酸钠和硫酸铁作为电芬顿催化剂，苯的降解率大于90％。

实施例4

采用不同阳极材料进行去除苯污染物的试验，其中，阳极材料可选用锡、铅、钌、铑、钯、铱、铂、钌铱合金、氧化钌或氧化铱，其阴极材料、电化学反应器的组装方法，苯污染物的去除方法可参见实施例1的操作，在此不再一一赘述。最后监测稳定时阴极气流通道出气口苯污染物的浓度，催化性能参见图9。

由图9可知，不同的阳极材料，在同一电压下苯的降解率不同，其中采用钌、钌铱合金、氧化钌作为阳极材料时，苯的降解率较高，说明采用钌成分的阳极材料能够高效地去除苯污染物。

实施例5

采用实施例1中的电化学反应器分别对苯、甲苯、间/对-二甲苯、邻-二甲苯、1,2,4-三甲基苯、苯乙烯、乙烯、丙烯、1,3-丁二烯、甲醛、乙醛污染物进行去除试验，其具体操作可参考实施例1的操作，并在阴极与阳极间施加不同的直流电压，并监测稳定时阴极气流通道出气口苯污染物的浓度，记录污染物降解率大于95％时的电压，催化性能参见图10。

由图10可知，乙烯污染物降解率大于95％时的电压较低，苯、邻二甲苯、苯乙烯、甲醛这些污染物降解率大于95％时的电压相对较高。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种电芬顿催化氧化去除气态污染物的装置，其特征在于，所述去除气态污染物的装置包括电化学反应器，所述电化学反应器包括电源、阳极、阴极、质子交换膜、阳极气流通道及阴极气流通道，所述质子交换膜设于所述阳极和所述阴极之间，所述阳极设于所述阳极气流通道内，所述阴极设于所述阴极气流通道内，所述阴极为负载过渡金属催化剂的多孔导电吸附材料电极，所述多孔导电吸附材料电极为碳材料电极；

所述过渡金属催化剂的活性成分为铁、钴、镍、锰及铈的氧化物、氢氧化物及其合金的至少一种，或者，所述过渡金属催化剂的活性成分为多聚磷酸与铁离子的络合物、磷酸铁锂及金属有机骨架材料中的至少一种。

2.如权利要求1所述的电芬顿催化氧化去除气态污染物的装置，其特征在于，所述多孔导电吸附材料电极为活性炭纤维、石墨烯、碳纳米管、氮掺杂石墨烯中的至少一种。

3.如权利要求1所述的电芬顿催化氧化去除气态污染物的装置，其特征在于，按质量百分比计，所述过渡金属催化剂的负载量范围为0.1％-50％。

4.如权利要求1所述的电芬顿催化氧化去除气态污染物的装置，其特征在于，所述阳极为石墨电极、金属电极、金属合金电极、金属氧化物电极中的至少一种。

5.如权利要求4所述的电芬顿催化氧化去除气态污染物的装置，其特征在于，所述金属电极为锡电极、铬电极、镍电极、锰电极、钌电极、铱电极、铁电极、铑电极、钯电极、铂电极、铅电极及钽电极中的至少一种。

6.如权利要求1至5中任一项所述的电芬顿催化氧化去除气态污染物的装置，其特征在于，所述电化学反应器设置有多个，多个所述电化学反应器并联或串联设置。

7.如权利要求1至5中任一项所述的电芬顿催化氧化去除气态污染物的装置，其特征在于，所述电化学反应器设置有多个，多个所述电化学反应器并联设置，相邻两个所述电化学反应器之相对电极位于同一气流通道内，且位于同一气流通道的两个电极极性相同；

或者，所述电化学反应器设置有多个，多个所述电化学反应器串联设置，相邻两个所述电化学反应器之相对电极位于同一气流通道内，且位于同一气流通道的两个电极极性相同。

8.一种电芬顿催化氧化去除气态污染物的方法，应用于如权利要求1至7中任一项所述的去除气态污染物的装置，其特征在于，所述去除气态污染物的方法包括以下步骤：

将含气态污染物的空气通入阴极气流通道内，将水或含水蒸汽的空气通入阳极气流通道内，并在所述阳极和所述阴极之间施加0.5V-36V的直流电压。

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