CN113896298A - 一种阴极曝气与阴极改性相结合的复合阴极原位产双氧水或降解有机污染物的电芬顿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种阴极曝气与阴极改性相结合的复合阴极原位产双氧水或降解有机污染物的电芬顿方法，复合阴极由催化层、导电层与曝气层构成，本发明的复合阴极能有效提高双氧水产率或降解有机污染物。阴极催化层用炭黑与聚四氟乙烯改性石墨毡阴极，导电层为金属板或金属多孔板，曝气层为微孔曝气板或微孔曝气滤膜。空气或者氧气通过微孔曝气板或微孔曝气滤膜到达阴极催化层。复合阴极催化层用0.2g炭黑，0.4mL聚四氟乙烯改性石墨毡时，120min双氧水的积累量可达492mg/L，将复合阴极用于处理富里酸溶液，30min富里酸去除率为85.37％。本发明中阴极改性与阴极曝气方法简单；改性阴极的制备材料价格低廉；复合阴极性质稳定，寿命长；复合阴极双氧水产率高，有机污染物去除效果好。

Description

一种阴极曝气与阴极改性相结合的复合阴极原位产双氧水或 降解有机污染物的电芬顿方法
技术领域
一种阴极曝气与阴极改性相结合的复合阴极原位产双氧水或降解有机污染物的电芬顿方法，属于电化学水处理领域。
背景技术
城市垃圾数量的剧增导致垃圾渗滤液的处理成为亟待解决的问题。把纳滤膜和反渗透膜工艺作为推荐的垃圾填埋场的垃圾渗滤液深度处理工艺，已经在大量垃圾填埋场得到采用。虽然膜技术能去除大部分的污染物，但是会产生大约20％～30％的膜滤浓缩液，尤其是纳滤膜浓缩液，具有很高的COD、色度大、可生化性差，是一种高浓度难降解有机废水。浓缩液总溶解性有机物包含低分子量的脂肪酸类、高分子的腐殖质类和中等分子量的灰黄酸类物质。其中腐殖质类物质被公认为是浓缩液有机碳中的主要成分及难降解部分，也是造成渗滤液色度的主要物质，主要分为腐殖酸和富里酸及其他难降解物质。由于纳滤膜浓缩液可生化性差的特点，采用传统的生物处理法很难达到排放标准。
电芬顿技术(EF)是基于芬顿反应的电化学高级氧化技术，阴极材料表面发生二电子氧还原反应过程(ORR)，生成的H2O2与存在于溶液中的Fe2+反应，产生强氧化剂羟基自由基(·OH)氧化降解污染物，可有效处理难降解有机废水，例如纳滤浓缩液。电芬顿体系中，如何提高H2O2产率是制约电芬顿方法处理效果的重要因素，而阴极材料的性能被认为是H2O2产率大小的关键。
石墨毡比表面积较大，导电性能优良，抗压能力强，价格低廉。可作为电芬顿技术的阴极材料，但石墨毡阴极材料电催化产生双氧水的产量不高，制约了其在电芬顿体系的应用，另一制约双氧水产率的因素是阴极的氧含量，氧气在溶液中受到溶解度和传质扩散的限制难以到达阴极，因此开发一种既能提高石墨毡电催化活性，又能减少氧气在阴极附近的传质阻力，且简单、低廉的复合阴极对提高电芬顿双氧水的产率，促进其在降解有机废水中的推广应用极为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备方法简单，价格低廉的阴极曝气与阴极改性相结合的复合阴极原位产双氧水或降解有机污染物的电芬顿方法。
本发明的目的通过以下技术方式实现。
一种阴极曝气与阴极改性相结合的复合阴极原位产双氧水及降解有机污染物的电芬顿方法，复合阴极包括曝气层、导电层和催化层，该复合阴极的制备通过以下方法实现。
复合阴极曝气层为微孔曝气板或微孔曝气滤膜，孔径分布均匀，曝气层中的空气/氧气通过微孔曝气板或微孔曝气滤膜与阴极催化层充分接触。
复合阴极导电层为耐腐蚀导电性良好的金属板或金属多孔板，孔径分布均匀，其目的是增加阴极的导电性，节省电能。
阴极的制备
用丙酮超声清洗30min去除石墨毡的表面污渍，再用去离子水超声清洗数次清除残留的丙酮，在80℃烘箱中干燥8～12h，记为预处理石墨毡；
向30～50mL去离子水中依次加入0.1～0.3g炭黑和0.1～0.6mL聚四氟乙烯，超声30min使其分布均匀，形成炭黑和聚四氟乙烯分散液；
将经丙酮、去离子水超声清洗预处理后的石墨毡浸渍到上述分散液中，超声浸渍30min。
将浸渍好的石墨毡放入80℃中的烘箱中烘干(3-4h)。最后在空气气氛下300-450℃煅烧处理0.5-1.5h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中，阴极改性与阴极曝气方法简单，改性阴极制备的材料价格低廉；复合阴极双氧水产率高，处理有机废水有机污染物去除效果好，因而在有机废水处理方面具有良好的应用前景。
本发明中导电层为金属板或金属多孔板，孔径分布均匀，复合阴极的曝气层为微孔曝气板或者微孔曝气滤膜。导电层能够增加阴极的导电性，节省电能。曝气层的氧气通过导电金属多孔板孔到达阴极催化层或者直接到达阴极催化层，被催化层利用产生双氧水。解决了O2在溶液中溶解度低，催化层O2浓度小的问题。
附图说明
图1为电解装置图及复合阴极图，电解装置图左侧为复合阴极，右侧为稳定阳极；
图2为四种阴极产双氧水性能的比较：图2A催化层未改性的复合电极(120min积累H2O2量3mg/L)、图2B为制备的复合阴极(120min积累H2O2量492mg/L)、图2C改性石墨毡使用溶液曝气(120min积累H2O2量8mg/L)、图2D预处理后的未改性石墨毡使用溶液曝气(120min积累H2O2量3mg/L)；
图3为制备的复合阴极五次重复实验双氧水产量图；
图4为制备的复合阴极(30min降解85.37％)与预处理后的未改性石墨毡使用溶液曝气(FA30min降解48.91％)对FA去除效果对比图；
图5为制备的复合阴极(如图5A：COD120min降解75.9％)与预处理后的未改性石墨毡使用溶液曝气(如图5D：COD120min降解50.55％)对纳滤膜浓缩液的降解效果图。
具体实施方式
实例中模拟废水为200ppm的(FA)富里酸；实际废水为北京某一垃圾焚烧厂的垃圾渗滤液纳滤浓缩液。
实例一：双氧水产率实验
将厚度为5mm的石墨毡裁剪成尺寸为5cm×6cm的方形，用丙酮超声清洗30min去除石墨毡的表面污渍，再用去离子水超声清洗三次清除残留的丙酮；在80℃烘箱中干燥12h，记为预处理石墨毡；称取0.2g导电炭黑溶于30ml去离子水中，同时加入0.4ml聚四氟乙烯超声30min使其混合均匀；将经过丙酮和去离子水预处理的石墨毡浸渍到上述混合溶液中，超声浸渍30min，移入烘箱中于80℃下干燥3h；最后在空气气氛下360℃煅烧处理1h，制得的阴极真空保存备用。将制备的改性阴极用于阴极催化层、不锈钢网为阴极导电层、多孔曝气板为阴极曝气层，催化层、导电层和曝气层组成复合阴极；以大小为5cm×6cm钌钇钛电极为阳极，复合阴极与阳极的极板间距为1cm；以0.05mNa2SO4为电解质溶液，反应条件为pH等于7，空气流量0.3L/min，恒定电流0.2A，测得的双氧水产量如图2B所示。
实例二：复合阴极产双氧水稳定性实验
将厚度为5mm的石墨毡裁剪成尺寸为5cm×6cm的方形，用丙酮超声清洗30min去除石墨毡的表面污渍，再用去离子水超声清洗三次清除残留的丙酮；在80℃烘箱中干燥12h，记为预处理石墨毡；称取0.2g导电炭黑溶于30ml去离子水中，同时加入0.4ml聚四氟乙烯超声30min使其混合均匀；将经过丙酮和去离子水预处理的石墨毡浸渍到上述混合溶液中，超声浸渍30min，移入烘箱中于80℃下干燥3h；最后在空气气氛下360℃煅烧处理1h，制得的阴极真空保存备用。将制备的改性阴极用于阴极催化层、不锈钢网为阴极导电层、多孔曝气板为阴极曝气层，催化层、导电层和曝气层组成复合阴极；以大小为5cm×6cm钌钇钛电极为阳极，复合阴极与阳极的极板间距为1cm；以0.05mNa2SO4为电解质溶液，反应条件为pH等于7，空气流量0.3L/min，恒定电流0.2A，进行五次重复实验，阴极产H2O2的稳定性如图3所示。
实例三：复合阴极对FA模拟废水的去除效果
将厚度为5mm的石墨毡裁剪成尺寸为5cm×6cm的方形，用丙酮超声清洗30min去除石墨毡的表面污渍，再用去离子水超声清洗三次清除残留的丙酮；在80℃烘箱中干燥12h，记为预处理石墨毡；称取0.2g导电炭黑溶于30ml去离子水中，同时加入0.4ml聚四氟乙烯超声30min使其混合均匀；将经过丙酮和去离子水预处理的石墨毡浸渍到上述混合溶液中，超声浸渍30min，移入烘箱中于80℃下干燥3h；最后在空气气氛下360℃煅烧处理1h，制得的阴极真空保存备用。将制备的改性阴极用于阴极催化层、不锈钢网为阴极导电层、多孔曝气板为阴极曝气层，催化层、导电层和曝气层组成复合阴极；将复合电极应用于均相电芬顿体系中处理浓度为200mg/L、体积为80mL的富里酸(FA)模拟废水，以大小为5cm×6cm钌钇钛电极为阳极，复合阴极与阳极的极板间距为1cm，加入3.2mgFeCl2·4H2O，反应条件为pH等于3，空气流量0.3L/min，恒定电流0.2A，反应时间为30min；对比实验为未改性的石墨毡作为阴极催化层，阴极曝气采用传统的底部溶液曝气。应用本方法前后对FA模拟废水的去处效果对比如图4。
实例四：复合阴极对纳滤膜浓缩液的去除效果
将厚度为5mm的石墨毡裁剪成尺寸为5cm×6cm的方形，用丙酮超声清洗30min去除石墨毡的表面污渍，再用去离子水超声清洗三次清除残留的丙酮；在80℃烘箱中干燥12h，记为预处理石墨毡；称取0.2g导电炭黑溶于30ml去离子水中，同时加入0.4ml聚四氟乙烯超声30min使其混合均匀；将经过丙酮和去离子水预处理的石墨毡浸渍到上述混合溶液中，超声浸渍30min，移入烘箱中于80℃下干燥3h；最后在空气气氛下360℃煅烧处理1h，制得的阴极真空保存备用。将制备的改性阴极用于阴极催化层、不锈钢网为阴极导电层、多孔曝气板为阴极曝气层，催化层、导电层和曝气层组成复合阴极；将复合阴极应用于非均相电芬顿体系中处理北京某一垃圾焚烧厂的垃圾渗滤液钠滤膜浓缩液的混凝出水，以大小为5cm×6cm钌钇钛电极为阳极，复合阴极与阳极的极板间距为1cm；加入非均相催化剂5g/L，反应条件为pH等于3，空气流量0.3L/min，恒定电流0.6A，反应时间为120min；对比实验为未改性的石墨毡作为阴极催化层，阴极曝气采用传统的底部溶液曝气。应用本方法前后对垃圾渗滤液纳滤膜浓缩液的去处效果对比如图5所示。

Claims (6)

1.一种阴极曝气与阴极改性相结合的复合阴极原位产双氧水或降解有机污染物的电芬顿方法，其特征在于，所述电芬顿体系中复合阴极包括三层，即催化层、导电层和曝气层；所述电芬顿体系外加Fe2+时可组成均相电芬顿体系；所述电芬顿体系外加含类芬顿催化金属的三维粒子电极作为催化剂时组成非均相电芬顿体系；所述催化层为炭黑和聚四氟乙烯改性的石墨毡；所述导电层为金属多孔板或者金属板；所述曝气层为微孔曝气板或微孔曝气滤膜；在pH为2-7下发生电芬顿反应；
催化层的改性方法如下：
步骤一：用丙酮超声清洗30min去除石墨毡的表面污渍，再用去离子水超声清洗数次清除残留的丙酮，在80℃烘箱中干燥8～12h，记为预处理后的石墨毡；
步骤二：向30～50mL去离子水中加入0.1～0.3g炭黑和0.1～0.6mL聚四氟乙烯，超声30min使其分布均匀，形成炭黑和聚四氟乙烯分散液；
步骤三：将预处理后的石墨毡浸渍到炭黑和聚四氟乙烯分散液中，超声浸渍30min；
步骤四：将浸渍好的石墨毡放入80℃中的烘箱中烘干，最后在空气气氛下300-450℃煅烧处理0.5-1.5h。
2.根据权利要求1所述的一种阴极曝气与阴极改性相结合的复合阴极原位产双氧水或降解有机污染物的电芬顿方法，其特征在于每平方米石墨毡所需炭黑的质量为30-100g。
3.根据权利要求1所述的一种阴极曝气与阴极改性相结合的复合阴极原位产双氧水或降解有机污染物的电芬顿方法，其特征在于，曝气层为孔径分布均匀的微孔曝气板或微孔曝气滤膜时，其孔径不大于3mm，曝气层或者通过金属多孔板与空气/氧气和催化层相接触，或者直接与催化层相邻；空气或者氧气通过微孔曝气板或微孔曝气滤膜到达阴极催化层。
4.根据权利要求1所述的一种阴极曝气与阴极改性相结合的复合阴极原位产双氧水或降解有机污染物的电芬顿方法，其特征在于，复合阴极的顺序为曝气层、导电层、催化层，其中导电层为金属多孔板：或者曝气层、催化层、导电层，其中导电层为金属板。
5.根据权利要求1所述的一种阴极曝气与阴极改性相结合的复合阴极原位产双氧水及降解有机污染物的电芬顿方法，其特征在于，使用均相电芬顿体系时，在电解液中外加Fe2+作为均相催化剂，构成均相电芬顿体系；使用非均相电芬顿体系时，可在阴极与阳极两电极之间加入含类芬顿催化金属的三维粒子电极作为催化剂，构成非均相电芬顿体系。
6.根据权利要求1所述的一种阴极曝气与阴极改性相结合的复合阴极原位产双氧水及降解有机污染物的电芬顿方法，其特征在于：电芬顿体系阴极为权利要求1制备的复合阴极，阳极可为不溶于电解液的普通金属阳极或催化氧化阳极。
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