CN115382551B - 基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料及其制备方法和应用 - Google Patents

基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料及其制备方法和应用，该制备方法包括将三维碳质材料浸渍到高铁酸钾溶液中，对所得吸附有高铁酸钾的三维碳质材料置于惰性气氛中升温至650℃以上进行热解处理，得到改性三维碳质功能性阴极材料。本发明制备的改性三维碳质功能性阴极材料具有催化活性高、稳定性好、环境友好等优点，可作为非均相电芬顿催化剂构建非均相电芬顿体系，能够实现对水体中抗生素(如氯霉素)的高效降解，重复利用性好、使用成本低，使用价值高，应用前景好，对于实现水体中抗生素的有效去除具有十分重要的意义。该制备方法还具有工艺简单、绿色环保、成本低廉等优点，适合大规模制备，利于工业化应用。

Description

基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料及其制备方法 和应用
技术领域
本发明属于非均相电芬顿技术领域，涉及一种用于构建非均相电芬顿体系的非均相催化剂及其制备方法和应用，具体涉及一种基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料及其制备方法和该材料作为非均相催化剂在处理水体中抗生素中的应用。
背景技术
抗生素已被广泛应用于人类和兽类疾病的预防和治疗，以及动物饲养添加剂中，如氯霉素，作为一种具有良好抗菌活性的广谱抗生素，已被广泛用于治疗动物产品中的细菌感染。由于抗生素的广泛使用，不可避免地会将它们排入环境中，其中在水体中已经出现了种类繁多且持久性污染的抗生素，它们能够稳定存在在水体中，因而这会造成耐药性基因和耐药性细菌的产生，同时由于抗生素的血液毒性，胚胎毒性和潜在的基因毒性，它们可能对人类的健康构成威胁。因此，有效去除水体中的抗生素(尤其是氯霉素)是尤为重要的。
电芬顿(EF)，作为一种高效、易操作、环保的修复技术，因其可以避免传统芬顿工艺中过氧化氢的运输、储存和操作风险而备受关注。在此技术中，可以使Fe2+与阴极上原位生成的过氧化氢发生芬顿反应产生具有强氧化性的自由基即羟基自由基，这些羟基自由基可以非选择性地与难降解有机污染物发生反应，从而实现对有机污染物的去除；与此同时，在电芬顿过程中，可以通过Fe3+在阴极上单电子还原来实现Fe2+的再生，这可以很大程度上促进羟基自由基的产生。值得注意的是，利用电芬顿技术有效处理有机污染物废水的关键是获得一种催化活性高的非均相催化剂。
在三维碳质材料中，碳毡由于其具有无毒、廉价、化学稳定性好、对双电子氧还原反应选择性高、有利于过氧化氢的生成等优点，被认为是去除有机污染物的最佳电芬顿阴极材料，但由于碳毡具有疏水性、电化学活性低、氧化还原反应动力学弱、对有机污染物降解效率低等特点，其仍然难以作为电芬顿非均相催化剂而实现对有机污染物的高效去除。因此，如何获得一种催化活性高、稳定性好、环境友好的新型非均相催化剂，对于构建非均相电芬顿体系并实现对废水中抗生素(如氯霉素)的有效去除具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种催化活性高、稳定性好、环境友好的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料及其制备方法和该材料作为非均相催化剂在电芬顿催化水体中抗生素中的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
一种基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将三维碳质材料浸渍到高铁酸钾溶液中，搅拌，干燥，得到吸附有高铁酸钾的三维碳质材料；
S2、将步骤S1得到的吸附有高铁酸钾的三维碳质材料置于惰性气氛中，升温至650℃以上进行热解处理，得到基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料。
上述的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料的制备方法，进一步改进的，步骤S2中，所述热解处理的温度为650℃～800℃。
上述的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料的制备方法，进一步改进的，步骤S2中，所述热解处理的温度为650℃～750℃。
上述的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料的制备方法，进一步改进的，步骤S1中，所述三维碳质材料为碳毡；所述三维碳质材料在使用之前还包括以下处理：将三维碳质材料依次浸泡在丙酮和无水乙醇中，各超声振荡25min～35min，用超纯水洗涤；所述高铁酸钾溶液的浓度为0.050mol/L～0.125mol/L；所述搅拌的转速为400～600rpm；所述搅拌的时间为7h～8h；所述干燥的温度为60℃～80℃，所述干燥的时间为8h～12h。
上述的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料的制备方法，进一步改进的，步骤S2中，所述惰性气氛为氮气气氛；所述热解处理过程中的升温速率为4℃/min～6℃/min；所述热解处理的时间为2h；所述热解处理完成后还包括以下步骤：先后采用盐酸溶液和超纯水将热解处理后得到的产物洗涤至中性，在温度为60℃～80℃干燥8h～12h。
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料，由上述的制备方法制得。
上述的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料，进一步改进的，包括三维碳质材料，所述三维碳质材料中镶嵌有单质铁和铁的氧化物；所述铁的氧化物为Fe2O3和Fe3O4。
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料作为非均相催化剂在处理抗生素废水中的应用。
上述的应用，进一步改进的，包括以下步骤：以基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料为阴极，对抗生素废水进行非均相电芬顿反应，完成对废水中抗生素的处理。
上述的应用，进一步改进的，所述非均相电芬顿反应过程中，以铂片作为阳极。
上述的应用，进一步改进的，所述非均相电芬顿反应过程中，还包括：往抗生素废水中加入电解质，使反应体系中电解质的浓度为0.05M；所述电解质为硫酸钠。
上述的应用，进一步改进的，所述非均相电芬顿反应过程中还包括：往抗生素废水中通入空气，对抗生素废水进行曝气处理；所述曝气处理过程中的空气的通入量为0.1L/min。
上述的应用，进一步改进的，所述抗生素废水中的抗生素为氯霉素；所述抗生素废水中的抗生素的初始浓度≤20mg/L；所述抗生素废水的初始pH值为5.8～6.0。
上述的应用，进一步改进的，所述非均相电芬顿反应过程中控制外加电源的电流为10～80mA。
上述的应用，进一步改进的，所述非均相电芬顿反应在搅拌条件下进行；所述搅拌的转速为500rpm；所述非均相电芬顿反应的时间为60min。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)针对现有改性碳质材料存在的催化活性差、稳定性差以及容易造成二次污染等缺陷，以及由此导致的不能用于构建非均相电芬顿体系或构建的非均相电芬顿体系催化降解性能差、重复利用性差、成本高等缺陷，本发明创造性地提出了一种基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料的制备方法，以三维碳质材料为原料，高铁酸钾同时为活化剂和催化剂，在惰性气氛中于650℃以上进行热解处理，不额外添加改性剂的情况下，即可通过一步热解法完成对三维碳质材料的改性，不仅可以增大三维碳质材料(如碳毡)的比表面积以及提高活性位点数量，从而能够提高三维碳质材料的电化学活性，利于双电子氧还原反应，促进过氧化氢的产生，同时还可以将单质铁和铁的氧化物稳定镶嵌到三维碳质材料中，在进一步提高催化活性的同时也提升了材料的稳定性，由此制备得到催化活性高、稳定性好、环境友好的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料，是一种性能优异的新型功能性阴极材料，可作为非均相电芬顿催化剂构建非均相电芬顿体系，能够实现对水体中抗生素(如氯霉素)的高效降解，且重复利用性好、使用成本低，有着很高的使用价值和很好的应用前景。另外，本发明制备方法还具有工艺简单、绿色环保、成本低廉等优点，适合大规模制备，利于工业化应用。
(2)本发明还提供了一种基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料作为非均相催化剂在处理抗生素废水中的应用，以基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料为阴极，构建非均相电芬顿体系，对抗生素废水进行非均相电芬顿反应，同时在该非均相电芬顿体系中，还包括吸附作用、阳极氧化反应以及溶出的少量的亚铁离子参与的均相芬顿反应，从而在上述各个作用的协同作用下能够实现对废水中抗生素的高效降解，具有操作简单、反应条件温和、成本低、去除效果好、易于回收再利用等优点，是一种以被广泛采用、能够高效去除水体中抗生素的新方法，使用价值高，应用前景好，对于实现水体中抗生素的有效去除具有十分重要的意义。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1为本发明实施例1中制备的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)和未改性碳毡阴极材料(CF)的SEM图，其中，(a)为CF，(b)和(c)为Fe-CF。
图2为本发明实施例1中制备的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)和未改性碳毡阴极材料(CF)的XRD图。
图3为本发明实施例6中基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF、Fe-CF800)、未改性碳毡阴极材料(CF)、改性碳毡功能性阴极材料(Fe-CF600)对氯霉素废水的降解效果图。
图4为本发明实施例6中基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF、Fe0.050-CF、Fe0.075-CF、Fe0.125-CF)对氯霉素废水的降解效果图。
图5为本发明实施例6中基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)、未改性碳毡阴极材料(CF)构建的不同体系对氯霉素废水的降解对比图。
图6为本发明实施例7中基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)对氯霉素废水的循环降解效果图。
图7为本发明实施例7中基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)循环处理氯霉素废水时铁的溶出效果图。
图8为本发明实施例8中基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)对不同实际废水中氯霉素的降解效果图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
实施例1：
一种基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将碳毡(市购)先后浸入丙酮和无水乙醇中，分别在常温下各超声振荡30min，用超纯水反复洗涤，以去除碳毡制造过程中产生的杂质，并于60℃烘箱中干燥12h，得到未改性碳毡阴极材料，标记为CF。
(2)将步骤(1)中洗净干燥的碳毡置于0.1M的高铁酸钾溶液中，持续以500rpm的转速搅拌8h，待浸渍完全后，移取至60℃烘箱中干燥12h备用。
(3)将步骤(2)中所得碳毡转移至管式炉中，在氮气气氛中，以5℃/min的升温速率升至700℃并热解2h，待氮气保护下自然冷却至室温后，用1M盐酸溶液洗涤3次，以除去热解过程中产生的杂质，随后用超纯水反复洗涤10次至中性，于60℃烘箱中干燥12h，得到基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料，标记为Fe-CF。
对实施例1制备的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)和未改性碳毡阴极材料(CF)进行SEM分析，结果如图1所示。图1为本发明实施例1中制备的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)和未改性碳毡阴极材料(CF)的SEM图，其中，(a)为CF，(b)和(c)为Fe-CF。由图1可以看出，实施例1中经高铁酸钾改性后制备的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)的表面变得粗糙多孔，且镶嵌有铁颗粒，同时保持了原始的CF结构，表明了铁颗粒成功地负载到CF上，这有利于促进催化过程中的电子转移和质量扩散。
对实施例1制备的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)和未改性碳毡阴极材料(CF)进行XRD分析，如图2所示。图2为本发明实施例1中制备的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)和未改性碳毡阴极材料(CF)的XRD图。由图2可以看出，铁颗粒为Fe、Fe2O3和Fe3O4，即铁颗粒以Fe、Fe2O3和Fe3O4的形式嵌入到CF中。
对比例1：
一种改性碳毡功能性阴极材料的制备方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：步骤(3)中的热解处理的温度为600℃。
对比例1中制备的改性碳毡功能性阴极材料，标记为Fe-CF600。
实施例2：
一种基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料的制备方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：步骤(3)中的热解处理的温度为800℃。
实施例2中制备的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料，标记为Fe-CF800。
实施例3：
一种基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料的制备方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：步骤(2)中的高铁酸钾溶液的浓度为0.050M。
实施例3中制备的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料，标记为Fe0.050-CF。
实施例4：
一种基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料的制备方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：步骤(2)中的高铁酸钾溶液的浓度为0.075M。
实施例4中制备的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料，标记为Fe0.075-CF。
实施例5：
一种基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料的制备方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：步骤(2)中的高铁酸钾溶液的浓度为0.125M。
实施例5中制备的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料，标记为Fe0.125-CF。
实施例6：
一种基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料作为非均相催化剂在电芬顿处理抗生素废水中的应用，具体为以基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料为阴极，铂片作为阳极，对氯霉素溶液进行非均相电芬顿反应，包括以下步骤：
取150mL、pH值为5.8、初始浓度为20mg/L的氯霉素溶液于200mL反应器中，平行插入阴极和阳极，其中分别以实施例1-5制备的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF、Fe-CF800、Fe0.050-CF、Fe0.075-CF、Fe0.125-CF)、未改性碳毡阴极材料(CF)、对比例1中制备的改性碳毡功能性阴极材料(Fe-CF600)作为阴极，铂片作为阳极，于25℃恒温搅拌器上持续搅拌30min，达到对氯霉素的吸附饱和。随后加入无水硫酸钠，搅拌至完全溶解，使得体系中硫酸钠的浓度为0.05M，往体系中以0.1L/min的曝气速率通入空气，以提供足够的溶解氧在阴极上生成过氧化氢，施加50mA的恒流电源，随即在500rpm的搅拌转速下进行非均相电芬顿反应60min，完成对氯霉素废水的处理。
非均相电芬顿反应过程中，到预先设定的时间点从溶液中取出0.8mL样品，过0.45μm滤膜后收集，于高效液相色谱上测定溶液中残留的氯霉素浓度，检测方法设置为：波长λ＝278nm，流动相比例为甲醇：水＝60:40，流速为1mL/min，进样体积为10μL。
图3为本发明实施例6中基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF、Fe-CF800)、未改性碳毡阴极材料(CF)、改性碳毡功能性阴极材料(Fe-CF600)对氯霉素废水的降解效果图。由图3可知，相较其他对比方案中所合成的功能性碳毡阴极材料，实施例1中以高铁酸钾为改性剂，在700℃热解2h制备的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)对溶液中的氯霉素具有更高的去除能力，其中去除率分别为99.5％(Fe-CF)，34.6％(CF)，81.5％(Fe-CF600)，93.5％(Fe-CF800)。
图4为本发明实施例6中基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF、Fe0.050-CF、Fe0.075-CF、Fe0.125-CF)对氯霉素废水的降解效果图。由图4可知，相较其他对比方案中所合成的三维碳质功能性阴极材料，实施例1中以高铁酸钾为改性剂(活化剂、催化剂)，在700℃热解2h制备的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)对溶液中的氯霉素具有更高的去除能力，其中不同材料对氯霉素的去除率分别为99.5％(Fe-CF)，93.9％(Fe0.050-CF)，95.3％(Fe0.075-CF)，90％(Fe0.125-CF)，可见，当高铁酸钾的浓度过低或过高时均不利于提高材料对氯霉素的去除效果，这是因为高铁酸钾的浓度过低，难以提高三维碳质材料表面的活性位点，不利于羟基自由基的生成，从而难以高效、彻底的去除水体中的氯霉素；而高铁酸钾的浓度过高时，过多的二价铁镶嵌在三维碳质材料中，会发生二价铁与羟基自由基的副反应，也不利于实现对去除水体中的氯霉素的高效、彻底去除。
本实施例中，还考察了基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)、未改性碳毡阴极材料(CF)在不同体系下对水中氯霉素的去除效果，具体如下：
阳极氧化：以实施例1中制备的未改性碳毡阴极材料(CF)作为阴极，其他条件与实施例6相同。
类芬顿反应：取150mL、pH值为5.8、初始浓度为20mg/L的氯霉素溶液于200mL反应器中，以实施例1中制备的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)作为催化剂，于25℃恒温搅拌器上持续搅拌30min，达到对氯霉素的吸附饱和，随后加入过氧化氢，使体系中过氧化氢的浓度为240μM，随即在500rpm的搅拌转速下进行类芬顿反应60min，完成对氯霉素废水的处理。
均相电芬顿反应：取150mL、pH值为5.8、初始浓度为20mg/L的氯霉素溶液于200mL反应器中，平行插入阴极和阳极，其中以实施例1中制备的未改性碳毡阴极材料(CF)作为阴极，铂片作为阳极，于25℃恒温搅拌器上持续搅拌30min，达到对氯霉素的吸附饱和，随后加入无水硫酸钠，搅拌至完全溶解，使得体系中硫酸钠的浓度为0.05M，往体系中以0.1L/min的曝气速率通入空气，以提供足够的溶解氧在阴极上生成过氧化氢，添加Fe2+使体系中Fe2+的浓度为0.2mM并施加50mA的恒流电源，随即在500rpm的搅拌转速下进行均相电芬顿反应60min，完成对氯霉素废水的处理。
每个不同体系反应过程中，到预先设定的时间点从溶液中取出0.8mL样品，过0.45μm滤膜后收集，于高效液相色谱上测定溶液中残留的氯霉素浓度，检测方法设置为：波长λ＝278nm，流动相比例为甲醇：水＝60:40，流速为1mL/min，进样体积为10μL。
图5为本发明实施例6中基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)、未改性碳毡阴极材料(CF)构建的不同体系对氯霉素废水的降解对比图。由图5可知，相比其他体系，本发明实施例6中由基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)构建的非均相电芬顿体系可以有效去除水体中的氯霉素，而其他体系难以实现对水体中氯霉素的有效去除。
实施例7：
一种基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料作为非均相催化剂在电芬顿处理抗生素废水中的应用，具体为以基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料为阴极，铂片作为阳极，通过非均相电芬顿反应对氯霉素溶液进行循环处理，包括以下步骤：
(1)取150mL、pH值为5.8、初始浓度为20mg/L的氯霉素溶液于200mL反应器中，平行插入阴极和阳极，其中以实施例1制备的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)作为阴极，铂片作为阳极，于25℃恒温搅拌器上持续搅拌30min，达到对氯霉素的吸附饱和，随后加入无水硫酸钠，搅拌至完全溶解，使得体系中硫酸钠的浓度为0.05M，往体系中以0.1L/min的曝气速率通入空气，以提供足够的溶解氧在阴极上生成过氧化氢，施加50mA的恒流电源，随即在500rpm的搅拌转速下进行非均相电芬顿反应60min，完成对氯霉素废水的处理。
(2)从步骤(1)的反应体系中分离出基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)，经处理后，按照步骤(1)中的方法继续用于处理氯霉素废水，共处理5次。
每次非均相电芬顿反应过程中，到预先设定的时间点从溶液中取出0.8mL样品，过0.45μm滤膜后收集，于高效液相色谱上测定溶液中残留的氯霉素浓度，检测方法设置为：波长λ＝278nm，流动相比例为甲醇：水＝60:40，流速为1mL/min，进样体积为10μL。
图6为本发明实施例7中基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)对氯霉素废水的循环降解效果图。由图6可知，通过实施例1所制备的Fe-CF重复利用5次后对氯霉素的去除率仅下降了1.3％，表现出优异的循环能力，具有较好的工业应用前景。
图7为本发明实施例7中基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)循环处理氯霉素废水时铁的溶出效果图。由图7可知，通过实施例1所制备的Fe-CF每次循环处理时铁的溶出均低于0.13mg/L，这说明本发明功能性碳毡阴极材料(Fe-CF)具有很好的稳定性。
实施例8
一种基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料作为非均相催化剂在电芬顿处理抗生素废水中的应用，具体为以基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料为阴极，铂片作为阳极，对不同水体中的氯霉素进行非均相电芬顿反应，包括以下步骤：
取含有氯霉素的自来水、河水和湖水(这些水体的体积均为150mL、pH值均为5.8、氯霉素的初始浓度均为20mg/L)的氯霉素溶液于200mL反应器中，平行插入阴极和阳极，其中以实施例1制备的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)作为阴极，铂片作为阳极，于25℃恒温搅拌器上持续搅拌30min，达到对氯霉素的吸附饱和。随后加入无水硫酸钠，搅拌至完全溶解，使得体系中硫酸钠的浓度为0.05M，往体系中以0.1L/min的曝气速率通入空气，以提供足够的溶解氧在阴极上生成过氧化氢，施加50mA的恒流电源，随即在500rpm的搅拌转速下进行非均相电芬顿反应60min，完成对不同水体中氯霉素的处理。
非均相电芬顿反应过程中，到预先设定的时间点从溶液中取出0.8mL样品，过0.45μm滤膜后收集，于高效液相色谱上测定溶液中残留的氯霉素浓度，检测方法设置为：波长λ＝278nm，流动相比例为甲醇：水＝60:40，流速为1mL/min，进样体积为10μL。
图8为本发明实施例8中基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)对不同实际废水中氯霉素的降解效果图。由图8可知，本发明基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料(Fe-CF)对不同实际废水中的氯霉素均具有较好的降解效果，具有很好的应用能力。
由上述结果可知，本发明利用高铁酸钾同时作为活化剂和催化剂，能够将碳毡改性为功能性碳毡阴极材料，不仅可以增大碳毡的比表面积以及提高活性位点数量，从而能够提高碳毡的电化学活性，有利于发生双电子氧还原反应，促进生成足够多的过氧化氢，因而其作为一种高效的非均相催化剂所构建的非均相电芬顿体系，更适合于高效降解废水中的抗生素，实际应用前景好，同时还可以将单质铁和铁的氧化物稳定镶嵌到三维碳质材料中，在进一步提高催化活性的同时也提升了材料的稳定性，由此制备得到催化活性高、稳定性好、环境友好的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料，是一种性能优异的新型功能性阴极材料，能够实现对废水中抗生素(如氯霉素)的高效降解，且重复利用性好、使用成本低，有着很高的使用价值和很好的应用前景，对于有效去除水体中的抗生素具有重要意义。另外，本发明制备方法还具有工艺简单、绿色环保、成本低廉等优点，适合大规模制备，利于工业化应用。
因而本发明基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料具有高的催化活性、优异的循环性和实用性、无污染等优点，是一种性能优异的新型功能性碳毡阴极材料，能够用于处理氯霉素废水，并能够实现对废水中氯霉素的有效去除，使用价值高，应用前景好，对于有效去除水体中的抗生素具有重要意义。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将三维碳质材料浸渍到高铁酸钾溶液中，搅拌，干燥，得到吸附有高铁酸钾的三维碳质材料；所述三维碳质材料为碳毡；所述高铁酸钾溶液的浓度为0.075mol/L～0.1mol/L；
S2、将步骤S1得到的吸附有高铁酸钾的三维碳质材料置于惰性气氛中，升温至650℃～700℃进行热解处理，得到基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料。
2.根据权利要求1所述的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述三维碳质材料在使用之前还包括以下处理：将三维碳质材料依次浸泡在丙酮和无水乙醇中，各超声振荡25min～35min，用超纯水洗涤；所述搅拌的转速为400～600rpm；所述搅拌的时间为7h～8h；所述干燥的温度为60℃～80℃，所述干燥的时间为8h～12h。
3.根据权利要求1所述的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述惰性气氛为氮气气氛；所述热解处理过程中的升温速率为4℃/min～6℃/min；所述热解处理的时间为2h；所述热解处理完成后还包括以下步骤：先后采用盐酸溶液和超纯水将热解处理后得到的产物洗涤至中性，在温度为60℃～80℃干燥8h～12h。
4.一种基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料，其特征在于，所述基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料由权利要求1～3中任一项所述的制备方法制得。
5.根据权利要求4所述的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料，其特征在于，包括三维碳质材料，所述三维碳质材料中镶嵌有单质铁和铁的氧化物；所述铁的氧化物为Fe2O3和Fe3O4。
6.一种如权利要求4或5所述的基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料作为非均相催化剂在处理抗生素废水中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：以基于高铁酸钾改性的三维碳质功能性阴极材料为阴极，对抗生素废水进行非均相电芬顿反应，完成对废水中抗生素的处理。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述非均相电芬顿反应过程中，以铂片作为阳极；
所述非均相电芬顿反应过程中，还包括：往抗生素废水中加入电解质，使反应体系中电解质的浓度为0.05M；所述电解质为硫酸钠；
所述非均相电芬顿反应过程中还包括：往抗生素废水中通入空气，对抗生素废水进行曝气处理；所述曝气处理过程中的空气的通入量为0.1L/min；
所述抗生素废水中的抗生素为氯霉素；所述抗生素废水中的抗生素的初始浓度≤20mg/L；所述抗生素废水的初始pH值为5.8～6.0；
所述非均相电芬顿反应过程中控制外加电源的电流为10～80mA；
所述非均相电芬顿反应在搅拌条件下进行；所述搅拌的转速为500rpm；所述非均相电芬顿反应的时间为60min。
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