CN115286097B - 一种铁镍mof/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极及其制备方法和应用 - Google Patents
一种铁镍mof/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115286097B CN115286097B CN202210601362.0A CN202210601362A CN115286097B CN 115286097 B CN115286097 B CN 115286097B CN 202210601362 A CN202210601362 A CN 202210601362A CN 115286097 B CN115286097 B CN 115286097B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mof
- composite cathode
- nanofiber membrane
- nickel
- heating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 54
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 title claims abstract description 48
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 title claims abstract description 35
- UGKDIUIOSMUOAW-UHFFFAOYSA-N iron nickel Chemical compound [Fe].[Ni] UGKDIUIOSMUOAW-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 21
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 claims abstract description 23
- 230000029087 digestion Effects 0.000 claims abstract description 17
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000010041 electrostatic spinning Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 35
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 claims description 16
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 15
- 229910002555 FeNi Inorganic materials 0.000 claims description 14
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 12
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Substances N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 claims description 9
- 238000009987 spinning Methods 0.000 claims description 9
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 7
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 claims description 7
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010802 sludge Substances 0.000 claims description 6
- GPNNOCMCNFXRAO-UHFFFAOYSA-N 2-aminoterephthalic acid Chemical compound NC1=CC(C(O)=O)=CC=C1C(O)=O GPNNOCMCNFXRAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 claims description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 claims description 4
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 4
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 3
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 3
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 claims description 2
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000000527 sonication Methods 0.000 claims description 2
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 claims description 2
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 claims description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims 2
- UXGNZZKBCMGWAZ-UHFFFAOYSA-N dimethylformamide dmf Chemical compound CN(C)C=O.CN(C)C=O UXGNZZKBCMGWAZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 abstract description 5
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 abstract description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 abstract description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010865 sewage Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 abstract description 2
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 45
- 239000012621 metal-organic framework Substances 0.000 description 19
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 4
- 229910018590 Ni(NO3)2-6H2O Inorganic materials 0.000 description 3
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 2
- 239000002054 inoculum Substances 0.000 description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910018551 Ni—NH Inorganic materials 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 description 1
- XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N ammonia nh3 Chemical compound N.N XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000013246 bimetallic metal–organic framework Substances 0.000 description 1
- 230000031018 biological processes and functions Effects 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 239000013256 coordination polymer Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 238000009313 farming Methods 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011081 inoculation Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000013110 organic ligand Substances 0.000 description 1
- 239000002957 persistent organic pollutant Substances 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
- C02F3/005—Combined electrochemical biological processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
- C02F3/28—Anaerobic digestion processes
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
- D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
- D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
- D04H1/40—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties
- D04H1/42—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties characterised by the use of certain kinds of fibres insofar as this use has no preponderant influence on the consolidation of the fleece
- D04H1/4282—Addition polymers
- D04H1/43—Acrylonitrile series
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
- D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
- D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
- D04H1/40—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties
- D04H1/42—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties characterised by the use of certain kinds of fibres insofar as this use has no preponderant influence on the consolidation of the fleece
- D04H1/4382—Stretched reticular film fibres; Composite fibres; Mixed fibres; Ultrafine fibres; Fibres for artificial leather
- D04H1/43838—Ultrafine fibres, e.g. microfibres
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
- D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
- D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
- D04H1/70—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
- D04H1/72—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged
- D04H1/728—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged by electro-spinning
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/46109—Electrodes
- C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2101/00—Nature of the contaminant
- C02F2101/30—Organic compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
- C02F2103/20—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated from animal husbandry
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
- Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
Abstract
本发明提供了一种不锈钢网包裹的铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极的制备方法及其促进猪场废水有机物去除的应用，其制备方法包括Fe/Ni‑NH2BDC的合成；MOF/聚丙烯腈混合纳米纤维膜的制备；不锈钢网包裹静电纺丝膜复合电极的制备。该复合电极能有效促进电强化厌氧消化过程中COD的高效降解，能够减少厌氧消化反应过程的时间，提高处理效率。此外，该电极具有良好的稳定性、导电性以及较低的成本，在高效去除养殖污水中的COD方面具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于养殖废水处理技术领域，涉及一种不锈钢网包裹的铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极及其制备方法和应用，具体涉及其在厌氧消化过程中促进猪场废水有机物去除的应用。
背景技术
中国是世界上生猪养殖规模和产量最大的国家，也因此产生了大量的废水。这些猪场废水中往往含有高浓度的有机物以及氮和磷，直接大量排放会造成严重的环境污染，所以养猪场产生的废水必须经过一系列的处理工序才能达到排放标准。厌氧消化（AD）能够生物降解有机污染物，同时以甲烷的形式回收能量，该工艺广泛用于猪场废水的低成本处理以及前处理过程。然而，厌氧消化是一个复杂的生物过程，需要经历水解、产酸、产乙酸和产甲烷四个阶段。传统厌氧消化往往存在效率较低，厌氧消化的过程稳定性容易受到一些条件的影响等问题，影响因素包括温度、pH值、游离氨氮、VFA积累等。
微生物电解槽（MEC）具有提高AD的效率和稳定性，促进甲烷生产等效果。在外加电压的影响下，MEC通过阴极析氢诱导氢营养产甲烷菌的富集。其中氢营养产甲烷菌可以利用H2还原CO2产甲烷，有利于提高沼气中的甲烷含量；而且在通常情况下，与乙酸营养型产甲烷菌相比，氢营养型产甲烷菌生长更快，对pH、VFA和温度等环境参数变化的敏感性更低。此外，MEC可以促进电活性微生物在阳极富集，从而促进了有机物在阳极的加速分解。不仅如此，电极本身具有导电性以及为微生物提供附着表面也增强了电活性微生物和产甲烷菌在电极表面的直接种间电子转移。因此，以上由MEC带来的变化最终促进了产甲烷过程，提高了AD的效率。
MEC的阴极室是氢气还原二氧化碳生成甲烷的主要场所。阴极材料的选择直接影响MEC-AD的性能。为了促进氢营养产甲烷菌的富集，阴极材料通常需要具有高比表面积、生物相容性以及良好的导电性。此外，一些具有析氢功能的材料往往也有利于甲烷的形成，例如镍和铂。到目前为止，常用的阴极材料有碳基材料（碳毡、碳纸、碳刷、碳布）和金属基材料（不锈钢、泡沫镍）。一般来说，碳基电极具有比表面积大、生物相容性好的优点，但导电性较差。而金属电极具有更强的导电性，一些材料还具有催化活性，但生物相容性较差。单一材料很难完全满足上述性能，因此人们通常使用不同的材料来进行修饰或制备复合电极以改善阴极性能，包括金属纳米颗粒、碳纳米材料和金属氧化物等。受改性材料性能、成本和负载方式的限制，寻找合适的催化材料和负载方式十分必要。
发明内容:
本发明根据上述问题，提供一种不锈钢网包裹的铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极的制备方法及其在促进猪场废水有机物去除的应用。
所述复合阴极为不锈钢网包裹的铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维构成。
所述铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、FeNi2-NH2BDC的合成：将FeCl3 6H2O、Ni(NO3)2 6H2O、2-氨基对苯二甲酸（H2BDC-NH2）添加到二甲基甲酰胺（DMF）中，超声波处理后将溶液转移到高压釜中加热，离心收集沉淀物，并用DMF和乙醇多次洗涤，将洗净后的材料真空干燥即得到FeNi2-NH2BDC MOF；
步骤二、静电纺丝：将聚丙烯腈（PAN）添加到DMF中，加热搅拌至完全溶解；将步骤一FeNi2-NH2BDC MOF进行研磨后添加到DMF，超声搅拌均匀后倒入溶解好的PAN溶液中形成混合溶液；对混合溶液进行静电纺丝获得电纺纳米纤维膜；
步骤三、阴极制备：将步骤二制备的电纺纳米纤维膜裁剪成矩形片，并将两片叠加在一起的矩形片放置于加热板上进行热压，最终使得电纺纤维膜紧密贴合；接着将热压后矩形片在空气氛围下放置于管式炉中加热，停止加热待矩形片冷却后，将其裁剪，再使用100目不锈钢包裹矩形片，复合电极初步制备完成；
步骤四、电极碳化：将步骤三初步制备的复合电极放置于管式炉中进行加热，管式炉中的气体为氮气，加热结束自然冷却后即得到碳化的复合电极。
具体的，步骤一FeNi2-NH2BDC的合成：将1.5 mmol FeCl3 6H2O、3 mmol Ni(NO3)26H2O、4.5 mmol 2-氨基对苯二甲酸（H2BDC-NH2）添加到100 mL二甲基甲酰胺（DMF）中。超声波处理30分钟后，将溶液转移到200 mL聚四氟乙烯内衬高压釜中，并在120°C下加热24小时。反应后，通过高速离心机离心收集沉淀物，并用DMF和乙醇多次洗涤。最后，将洗净后的材料在75°C下真空干燥12小时，即得到FeNi2-NH2BDC MOF。
具体的，步骤二静电纺丝：将1.6 g 聚丙烯腈（PAN）添加到12 ml DMF中，并在60°C下加热搅拌3 h，使其完全溶解。同时，称量0.8 g FeNi2-NH2BDC进行研磨使颗粒细化，接着将充分研磨后MOF添加到8 ml DMF中，超声搅拌均匀后倒入溶解好的PAN溶液中。然后，使用5 ml注射器以2-4 ml/h的速率在17-19kv下对混合溶液进行静电纺丝。滚筒以400 r/min的速度在10-15 cm的距离处收集纤维，5 ml注射器纺丝完后及时补充纺丝液，直到配置的纺丝液全部用完，静电纺丝结束。
具体的，步骤三阴极制备：将制备好的电纺纳米纤维膜裁剪成尺寸为80 mm×40mm的矩形片，并将两片叠加在一起的矩形片放置于120°的加热板上进行热压，最终使得电纺纤维膜紧密贴合；接着将热压后矩形片在空气氛围下放置于管式炉中并以1-2°C/min的加热速率从室温加热至250°C，并在250°C下保持60 min。待矩形片冷却后，将其裁剪到60mm×30 mm的大小，接着使用100目不锈钢包裹矩形片，复合电极初步制备完成。
具体的，步骤四电极碳化：碳化处理的具体方法为将管式炉中的气体更换为氮气，并以5°C/min的加热速率将复合电极从室温加热至250°C并保持30 min，接着在250°C的基础上进一步以2-5°C/min的加热速率加热到700°C并保持60 min，在管式炉中自然冷却后即得到碳化的复合电极。碳化后的电极可进一步提高复合电极的导电性
本发明提供该复合电极作为微生物电解池阴极处理猪场废水的应用。将试剂瓶改造为单室微生物电解池反应器，反应器使用碳毡作为阳极，所述复合电极作为阴极，外部电路连接一个电阻，施加外电压；反应器搭建完成后，向其中添加猪场废水和厌氧污泥，再将反应器放入水浴锅中运行。
具体的，将工作容积为800 mL的GL80蓝盖试剂瓶改造为单室微生物电解池反应器，反应器使用尺寸为60 mm×30 mm、厚度为5 mm的碳毡作为阳极，制备的复合电极作为阴极，阴极和阳极之间的距离为4 cm。外部电路连接一个10 Ω电阻，施加0.8V外电压。反应器搭建完成后，向其中添加600 mL猪场废水和200 mL厌氧污泥，废水和接种物的比例为3:1。最后将反应器放入37°C水浴锅中开始运行。
本发明具有以下优点：
使用双金属MOF（Fe/Ni-NH2BDC）作为阴极改性材料。双金属掺杂MOF的优势是可以在材料上产生更多的缺陷，有利于提高催化活性，而且通过调节合成材料过程中Ni的比例来提高材料的析氢性能。此外，有机配体NH2-BDC中丰富的氨基还使该材料具有良好的生物相容性。
使用MOF与聚丙烯腈（PAN）进行混合静电纺丝，并通过热压和切割将静电纺丝纤维膜制成FeNi2/PAN电极，保证了MOF材料在阴极上的均匀分布以及负载的可调。不锈钢网作为一种低成本的阴极材料，在甲烷生产领域有着广阔的应用前景。FeNi2/PAN纤维膜的外部使用100目不锈钢网进行包裹，可以改善电极的稳定性和导电性。
该复合电极能有效促进电强化厌氧消化过程中COD的高效降解，能够减少厌氧消化反应过程的时间，提高处理效率。此外，该电极具有良好的稳定性、导电性以及较低的成本，在高效去除养殖污水中的COD方面具有良好的应用前景。
附图说明：
图1为合成的FeNi2-NH2BDC粉末的扫描电镜图。
图2为MOF/聚丙烯腈混合纳米纤维膜的扫描电镜图。
图3为传统厌氧消化、不锈钢网包裹的铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极、以及碳纸阴极的SCOD变化曲线。
具体实施方式：
下面结合具体实例子进一步阐述本发明。
实施例1：电极材料的制备
1）FeNi2-NH2BDC的合成：将1.5 mmol FeCl3 6H2O、3 mmol Ni(NO3)2 6H2O、4.5 mmol2-氨基对苯二甲酸（H2BDC-NH2）添加到100 mL二甲基甲酰胺（DMF）中。超声波处理30分钟后，将溶液转移到200 mL聚四氟乙烯内衬高压釜中，并在120°C下加热24小时。反应后，通过高速离心机离心收集沉淀物，并用DMF和乙醇多次洗涤。最后，将洗净后的材料在75°C下真空干燥12小时，即得到FeNi2-NH2BDC MOF。
2）静电纺丝：将1.6 g 聚丙烯腈（PAN）添加到12 ml DMF中，并在60°C下加热搅拌3h，使其完全溶解。同时，称量0.8 g FeNi2-NH2BDC进行研磨使颗粒细化，接着将充分研磨后MOF添加到8 ml DMF中，超声搅拌均匀后倒入溶解好的PAN溶液中。然后，使用5 ml注射器以2-4 ml/h的速率在17-19kv下对混合溶液进行静电纺丝。滚筒以400 r/min的速度在10-15cm的距离处收集纤维，5 ml注射器纺丝完后及时补充纺丝液，直到配置的纺丝液全部用完，静电纺丝结束。
3）阴极制备：将制备好的电纺纳米纤维膜裁剪成尺寸为80 mm×40 mm的矩形片，并将两片叠加在一起的矩形片放置于120°的加热板上进行热压，最终使得电纺纤维膜紧密贴合；接着将热压后矩形片在空气氛围下放置于管式炉中并以1-2°C/min的加热速率从室温加热至250°C，并在250°C下保持60 min。待矩形片冷却后，将其裁剪到60 mm×30 mm的大小，接着使用100目不锈钢包裹矩形片，复合电极初步制备完成。
4）将初步制备的电极进行碳化处理。碳化处理的具体方法为将管式炉中的气体更换为氮气，并以5°C/min的加热速率将复合电极从室温加热至250°C并保持30 min，接着在250°C的基础上进一步以2-5°C/min的加热速率加热到700°C并保持60 min，在管式炉中自然冷却后即得到碳化的复合电极。
实施例2：复合电极作为微生物电解池阴极处理猪场废水的应用。
将工作容积为800 mL的GL80蓝盖试剂瓶改造为单室微生物电解池反应器，反应器使用尺寸为60 mm×30 mm、厚度为5 mm的碳毡作为阳极，制备的复合电极作为阴极，阴极和阳极之间的距离为4 cm。外部电路连接一个10Ω电阻，施加0.8 V外电压。反应器搭建完成后，向其中添加600 mL猪场废水和200 mL厌氧污泥，废水和接种物的比例为3:1。最后将反应器放入37℃水浴锅中开始运行，定期监测废水中SCOD的变化。由图三可知添加复合电极的反应器的平均SCOD去除率达到78.07%，而CP组为54.14%，仅略高于AD组的48.52%，证明不锈钢网包裹的铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极可以实现更快的SCOD去除。
Claims (7)
1.一种铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极在微生物电解池耦合厌氧消化中处理猪场废水的应用，其特征在于，所述铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极的制备方法包括以下步骤：
步骤一、FeNi2-NH2BDC的合成：将FeCl3·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O以及2-氨基对苯二甲酸H2BDC-NH2添加到二甲基甲酰胺DMF中，超声波处理后将溶液转移到高压釜中加热，离心收集沉淀物，用DMF和乙醇多次洗涤沉淀物，将洗净后的材料真空干燥即得到FeNi2-NH2BDC MOF；
步骤二、静电纺丝：将聚丙烯腈PAN添加到DMF中，加热搅拌至完全溶解；将步骤一制备的FeNi2-NH2BDC MOF进行研磨后添加到DMF，超声搅拌均匀后倒入溶解好的PAN溶液中形成混合溶液；对混合溶液进行静电纺丝获得电纺纳米纤维膜；
步骤三、阴极制备：将步骤二制备的电纺纳米纤维膜裁剪成矩形片，并将两片叠加在一起的矩形片放置于加热板上进行热压，最终使得电纺纤维膜紧密贴合；接着将热压后矩形片在空气氛围下放置于管式炉中加热，停止加热待矩形片冷却后，将其裁剪，再使用100目不锈钢网包裹矩形片，复合阴极初步制备完成；
步骤四、阴极碳化：将步骤三初步制备的复合阴极放置于管式炉中进行加热，管式炉中的气体为氮气，加热结束自然冷却后得到碳化的复合阴极，即铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极；
所述铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极作为单室微生物电解池反应器的阴极，所述单室微生物电解池反应器中添加猪场废水和厌氧污泥。
2.根据权利要求1所述铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极在微生物电解池耦合厌氧消化中处理猪场废水的应用，其特征在于，步骤一具体为将1.5mmol FeCl3·6H2O、3mmolNi(NO3)2·6H2O以及4.5mmol 2-氨基对苯二甲酸H2BDC-NH2添加到100mL二甲基甲酰胺DMF中；超声波处理30分钟后，将溶液转移到200mL聚四氟乙烯内衬高压釜中，并在120°C下加热24小时；反应后，通过高速离心机离心收集沉淀物，用DMF和乙醇多次洗涤沉淀物；最后，将洗净后的材料在75°C下真空干燥12小时，即得到FeNi2-NH2BDC MOF。
3.根据权利要求1所述铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极在微生物电解池耦合厌氧消化中处理猪场废水的应用，其特征在于，步骤二具体为将1.6g聚丙烯腈PAN添加到12ml DMF中，并在60°C下加热搅拌3h，使其完全溶解；同时，称量0.8 g FeNi2-NH2BDC进行研磨使颗粒细化，接着将充分研磨后的MOF添加到8 ml DMF中，超声搅拌均匀后倒入溶解好的PAN溶液中；然后，使用5ml注射器以2-4ml/h的速率在17-19kv下对混合溶液进行静电纺丝；滚筒以400转/分的速度在10-15厘米的距离处收集纤维，5ml注射器纺丝完后及时补充纺丝液，直到配置的纺丝液全部用完，静电纺丝结束。
4.根据权利要求1所述铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极在微生物电解池耦合厌氧消化中处理猪场废水的应用，其特征在于，步骤三具体为将制备好的电纺纳米纤维膜裁剪成尺寸为80 mm×40 mm的矩形片，并将两片叠加在一起的矩形片放置于120°的加热板上进行热压，最终使得电纺纤维膜紧密贴合；接着将热压后矩形片在空气氛围下放置于管式炉中并以1-2°C/min的加热速率从室温加热至250°C，并在250°C下保持60 min；待矩形片冷却后，将其裁剪到60 mm×30 mm的大小，接着使用100目不锈钢网包裹矩形片，复合阴极初步制备完成。
5.根据权利要求1所述铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极在微生物电解池耦合厌氧消化中处理猪场废水的应用，其特征在于，步骤四具体为将初步制备的复合阴极进行碳化处理，碳化处理的具体方法为将管式炉中的气体更换为氮气，并以5°C/min的加热速率将复合阴极从室温加热至250°C并保持30 min，接着在250°C的基础上进一步以2-5°C/min的加热速率加热到700°C并保持60 min，在管式炉中自然冷却后即得到碳化的复合阴极。
6.根据权利要求5所述铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极在微生物电解池耦合厌氧消化中处理猪场废水的应用，其特征在于，将试剂瓶改造为单室微生物电解池反应器，反应器使用碳毡作为阳极，外部电路连接一个电阻，施加外电压；反应器搭建完成后，向其中添加猪场废水和厌氧污泥，再将反应器放入水浴锅中运行。
7.根据权利要求6所述铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极在微生物电解池耦合厌氧消化中处理猪场废水的应用，其特征在于，所述试剂瓶工作容积为800 mL；所述碳毡尺寸为60 mm×30 mm、厚度为5mm，阴极和阳极之间的距离为4 cm；外部电路连接10 Ω电阻，施加0.8V外电压；添加600 mL猪场废水和200 mL厌氧污泥，水浴锅温度设为37°C。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210601362.0A CN115286097B (zh) | 2022-05-30 | 2022-05-30 | 一种铁镍mof/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极及其制备方法和应用 |
| PCT/CN2022/097315 WO2023231055A1 (zh) | 2022-05-30 | 2022-06-07 | 一种铁镍 mof/ 聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210601362.0A CN115286097B (zh) | 2022-05-30 | 2022-05-30 | 一种铁镍mof/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极及其制备方法和应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115286097A CN115286097A (zh) | 2022-11-04 |
| CN115286097B true CN115286097B (zh) | 2024-01-23 |
Family
ID=83821170
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210601362.0A Active CN115286097B (zh) | 2022-05-30 | 2022-05-30 | 一种铁镍mof/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极及其制备方法和应用 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115286097B (zh) |
| WO (1) | WO2023231055A1 (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117263325B (zh) * | 2023-11-21 | 2024-02-09 | 江苏省农业科学院 | Mec-ad系统的改性阴极制备方法及其高效低能耗应用 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109216717A (zh) * | 2018-06-15 | 2019-01-15 | 清华大学 | 催化剂及其制备方法、阴极以及电化学系统 |
| CN114164450A (zh) * | 2021-09-26 | 2022-03-11 | 同济大学 | MOFs衍生双金属阴极及其制备方法和采用其提升甲烷产量和质量的方法 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012138750A2 (en) * | 2011-04-04 | 2012-10-11 | Massachusetts Institute Of Technology | Methods for electrochemically induced cathodic deposition of crystalline metal-organic frameworks |
| CN104577108A (zh) * | 2013-10-14 | 2015-04-29 | 江南大学 | 一种用于锂离子电池负极材料铁酸钴纳米纤维的制备方法 |
| CN107267124B (zh) * | 2017-07-03 | 2020-05-15 | 中山大学 | 一种含Ni/Fe双金属的MOFs含氮石墨化碳材料 |
| CN107814433B (zh) * | 2017-11-01 | 2020-09-08 | 陕西科技大学 | 重金属废水电解处理用聚合物膜修饰电极及其制备方法 |
| CN110137461A (zh) * | 2019-05-10 | 2019-08-16 | 陕西科技大学 | 锂离子电池用mof衍生的钴氧化物碳纳米纤维柔性电极材料及其制备方法 |
| CN114447345B (zh) * | 2021-12-22 | 2023-11-24 | 东华大学 | 复合电极材料的制备方法及MFCs耦合反硝化滤池处理废水应用 |
-
2022
- 2022-05-30 CN CN202210601362.0A patent/CN115286097B/zh active Active
- 2022-06-07 WO PCT/CN2022/097315 patent/WO2023231055A1/zh unknown
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109216717A (zh) * | 2018-06-15 | 2019-01-15 | 清华大学 | 催化剂及其制备方法、阴极以及电化学系统 |
| CN114164450A (zh) * | 2021-09-26 | 2022-03-11 | 同济大学 | MOFs衍生双金属阴极及其制备方法和采用其提升甲烷产量和质量的方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 《中国口腔医学年鉴》编辑委员会.《中国口腔医学年鉴 2003》.四川科学技术出版社,2004,(第一版),第120页. * |
| Bi-metallic MOFs possessing hierarchical synergistic effects as high performance electrocatalysts for overall water splitting at high current densities;Hao-Wei Lin等;《Applied Catalysis B: Environmental》;第285卷;第1-12页 * |
| 葛金龙.《材料化学专业实验》.中国科学技术大学出版社,2019,(第一版),第98页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115286097A (zh) | 2022-11-04 |
| WO2023231055A1 (zh) | 2023-12-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102263279A (zh) | 一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置 | |
| CN104810158B (zh) | 一种敏化太阳能电池对电极材料及其制备方法 | |
| CN115286097B (zh) | 一种铁镍mof/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极及其制备方法和应用 | |
| CN108417844B (zh) | 一种微生物电解池的泡沫材料复合阴极及其制备方法 | |
| CN111501062A (zh) | 一种钌掺杂碳纳米管复合材料的制备方法及其在微生物电解池阴极方面的应用 | |
| CN114447345A (zh) | 复合电极材料的制备方法及MFCs耦合反硝化滤池处理废水应用 | |
| Wang et al. | Enhanced anaerobic digestion for degradation of swine wastewater through a Fe/Ni-MOF modified microbial electrolysis cell | |
| CN113270602B (zh) | 一种碳基生物阳极、其制备方法及微生物燃料电池 | |
| CN112064151A (zh) | 一种S掺杂Fe-N-C纳米多孔碳纤维氧还原催化剂及其制法 | |
| TWI695540B (zh) | 微生物燃料電池及其製造方法 | |
| CN111170598A (zh) | 一种二氧化锰修饰碳毡阳极的方法及应用 | |
| CN114291849B (zh) | 一种Fe氧化物纳米材料的制备方法及应用 | |
| CN114164450B (zh) | MOFs衍生双金属阴极及其制备方法和采用其提升甲烷产量和质量的方法 | |
| CN109742410A (zh) | 一种CNTs/CNFs复合电极材料及其制备和MFC应用 | |
| CN112661254A (zh) | 一种高效同步降解有机物、脱氮除磷及产电的一体化系统 | |
| CN114725403A (zh) | 一种微生物燃料电池阳极材料及其制备方法与应用 | |
| CN108987757B (zh) | 一种微生物燃料电池阳极材料的制备方法 | |
| CN113651492A (zh) | 一种农村户厕黑水原位资源化处理装置及方法 | |
| CN112458487A (zh) | 一种中碱不对称微生物电解池及其在产氢中的应用 | |
| CN112133947A (zh) | 一种中碱不对称微生物燃料电池装置及其在氧还原中的应用 | |
| CN115478364B (zh) | 一种自支撑电纺碳纳米纤维复合膜的制备方法及应用 | |
| CN112170446A (zh) | 一种处理有机固废的微电辅助厌氧消化装置 | |
| CN117403273B (zh) | 一种生物电化学产氢的电极、装置及生产方法 | |
| CN111495350A (zh) | 一种纳米Co9S8-多孔碳纳米纤维氧还原催化剂及其制法 | |
| CN106898792B (zh) | 纤维素基单室微生物燃料电池空气阴极及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |