CN116874042B - 钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料制备方法及其产品与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电化学材料技术领域，提供一种钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料制备方法及其产品与应用，其中，钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料制备方法，包括：制备污泥基生物炭；制备污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料：使生物炭分散在水中，制成生物炭分散液；采用恒电流沉积法以泡沫镍为阴极，铂片为阳极，将硫酸钠溶液和生物炭分散液混合液作为电沉积液进行电沉积，得到污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料；制备钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料：采用电沉积法在污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料上负载金属钌，以污泥基生物炭/泡沫镍作为阴极，铂片为阳极，制备钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。本发明拓宽了污泥基生物炭的应用范围，实现污泥资源化。
Description
技术领域
本发明涉及电化学材料技术领域，尤其涉及一种钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料制备方法及其产品与应用。
背景技术
近年来，污泥处理一直是困扰人们的问题，常规填埋处理非常容易破坏土壤，对生态环境危害极大，干化焚烧虽然处理较为彻底，但由于投资成本高，尾气处理困难，一直为人们所诟病。污泥资源化如今已成为人们关注的焦点问题。
随着社会的发展，各类污水的排放量越来越高，水体成分也日渐复杂。例如抗生素废水，其成分相对复杂，降解极其困难。常规生物法不能将其彻底降解，而电催化法又受到材料和成本的限制，不能广泛使用。
发明内容
本发明的目的在于解决背景技术中的至少一个技术问题，提供一种钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料制备方法及其产品与应用。
为实现上述目的，本发明提供一种钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料制备方法，所述钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料为以泡沫镍作为基体，污泥基生物炭作为中间层，在污泥基生物炭表面沉积金属钌制成，所述制备方法包括：
制备污泥基生物炭：
将脱水污泥干燥并粉碎，然后对其进行加热煅烧，得到生物炭颗粒；
将得到的生物炭颗粒用玛瑙研钵研磨，得到污泥基生物炭；
制备污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料：
将泡沫镍放入有机溶剂中超声清洗10分钟，去除表面油脂，再用超纯水冲洗表面，去除有机溶剂，然后自然晾干备用；
将污泥基生物炭放入超纯水中，超声分散30分钟，使生物炭均匀分散在超纯水中，制成生物炭分散液；
采用恒电流沉积法以泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极，将硫酸钠溶液和生物炭分散液的混合液作为电沉积液进行电沉积，得到污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料；
制备钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料：
采用电沉积法在污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料上负载金属钌，以污泥基生物炭/泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极，制备得到钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
根据本发明的一个方面，所述将脱水污泥干燥并粉碎，然后对其进行加热煅烧，得到生物炭颗粒为：
将脱水污泥在90℃下干燥过夜，收集后用粉碎机打碎，在管式炉中以通气速率为0.1L·min-1的氮气气氛下吹扫，并保持升温速率在10℃min-1加热，当温度升高至相应的热解温度后，保持该温度煅烧2h，得到生物炭颗粒。
根据本发明的一个方面，所述有机溶剂为丙酮、乙醇或丙酮/乙醇混合物。
根据本发明的一个方面，所述生物炭分散液的浓度为0.1g/L，所述硫酸钠溶液的浓度为0.5mol/L，硫酸钠溶液与生物炭分散液的体积比为1:1。
根据本发明的一个方面，所述采用电沉积法在污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料上负载金属钌时，将氯化钠/氯化钌混合液作为电沉积液进行电沉积，其中氯化钌溶液浓度为0.05mmol/L，氯化钠浓度为0.5mol/L，氯化钠溶液与氯化钌溶液的体积比为1：1。
根据本发明的一个方面，所述恒电流沉积法为：将阳极接电源正极，阴极接电源负极，以电沉积液为电解液，阴阳两极平行放置，电极间距为2cm，在恒电流为5mA条件下，沉积15min制得污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
根据本发明的一个方面，所述电沉积法为：将阳极接电源正极，阴极接电源负极，阴阳两极平行放置，电极间距为2cm，在恒电流为5mA条件下，沉积15min制得钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
为实现上述目的，本发明还提供一种根据上述钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料制备方法制备的钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
为实现上述目的，本发明还提供一种根据上述钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料在污水处理中的应用。
根据本发明的一个方面，所述钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料对污水中抗生素进行降解。
根据本发明的一个方面，所述抗生素为四环素，所述钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料对四环素进行降解的条件为：采用恒电流电催化，反应温度为30℃，四环素初始浓度为30mg/L，在电流8mA条件下，降解2h。
根据本发明的方案，本发明拓宽了污泥基生物炭的应用范围，进一步实现了污泥的资源化，与此同时，通过一个简便的操作方法制备成了一种钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料，此电极制备简单，电催化性能优良，对四环素的降解效果较好
现有电极的能耗及稳定性问题一直受到困扰，本发明制备的电极的工作电流极低，实验中的工作电流仅为毫安级别，并且此电极的重复性较好，此电极在反复反应30余此后，降解效果并没有明显降低。
附图说明
图1为不同生物炭分散液所制备的电极对四环素的电催化效率图；
图2为在不同污泥基生物炭沉积电流所制备的电极对四环素的电催化效率图；
图3为在不同污泥基生物炭沉积时间所制备的电极对四环素的电催化效率图；
图4为不同氯化钌沉积液所制备的电极对四环素的电催化效率图；
图5为在不同钌的沉积电流所制备的电极对四环素的电催化效率图；
图6为在不同钌的沉积时间所制备的电极对四环素的电催化效率图；
图7为复合电极循环实验30次的电催化效率图。
具体实施方式
现在将参照示例性实施例来论述本发明的内容。应当理解，论述的实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本发明的内容，而不是暗示对本发明的范围的任何限制。
如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。
本发明提供的是一种钌/污泥基生物炭/泡沫镍复合电极，它由内至外依次由金属钌、污泥基生物炭、泡沫镍组成，首先是污泥基生物炭作为中间层沉积到泡沫镍基体上，再将钌金属沉积到污泥基生物炭上。
与其他基体相比，泡沫镍的性质稳定，使用寿命较长，比表面积大，能够为催化材料提供更多的附着位点。
以下实例通过控制污泥基生物炭和钌的分散液浓度和沉积时间来控制两种材料在泡沫镍上的负载厚度，优化出了两种材料的最佳负载浓度与比例。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实例1：
一种钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
1)污泥基生物炭的制备：将脱水污泥在90℃下干燥过夜，收集后用粉碎机打碎，在管式炉中以通气速率为0.1L/min的氮气气氛下吹扫，并保持升温速率在10℃/min加热，当温度升高至相应的热解温度后，保持该温度煅烧2h；然后，将得到的生物炭颗粒用玛瑙研钵研磨，收集备用。
2)污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备：将泡沫镍放入有机溶剂中超声清洗10分钟，去除表面油脂，再用超纯水冲洗表面，去除有机溶剂。然后自然晾干备用。所述有机溶剂为丙酮、乙醇或丙酮/乙醇混合物。将生物炭放入超纯水中，超声分散30分钟，使生物炭均匀分散在超纯水中，制成生物炭分散液。采用恒电流沉积法以泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极。将硫酸钠/污泥基生物炭混合液作为电沉积液进行电沉积。其中生物炭分散液的浓度分别设定为0.01、0.025、0.05、0.08、0.1、0.15、0.2g/L，硫酸钠溶液浓度设定为0.3mol/L，硫酸钠溶液与生物炭分散液的体积比为1:1。电极有效面积设定为1cm×2cm，在沉积电流设定为5mA条件下沉积10min，制备出由不同生物炭分散液浓度制备成的7种污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
3)钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备：采用电沉积法负载金属钌，污泥基生物炭/泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极。将氯化钠/氯化钌混合液作为电沉积液进行电沉积，其中氯化钌溶液浓度为0.1mmol/L，氯化钠浓度设定为0.3mol/L，氯化钠溶液与氯化钌溶液的体积比为1：1。电极有效面积设定为1cm×2cm，在沉积电流设定为5mA条件下沉积10min，制备成钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
实例2：
一种钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
1)污泥基生物炭的制备：将脱水污泥在90℃下干燥过夜，收集后用粉碎机打碎，在管式炉中以通气速率为0.1L/min的氮气气氛下吹扫，并保持升温速率在10℃/min加热，当温度升高至相应的热解温度后，保持该温度煅烧2h；然后，将得到的生物炭颗粒用玛瑙研钵研磨，收集备用。
2)污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备：将泡沫镍放入有机溶剂中超声清洗10分钟，去除表面油脂，再用超纯水冲洗表面，去除有机溶剂。然后自然晾干备用。所述有机溶剂为丙酮、乙醇或丙酮/乙醇混合物。将生物炭放入超纯水中，超声分散30分钟，使生物炭均匀分散在超纯水中，制成生物炭分散液。采用恒电流沉积法以泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极。将硫酸钠/污泥基生物炭混合液作为电沉积液进行电沉积。其中生物炭分散液的浓度设定在0.1g/L，硫酸钠溶液浓度分别设定为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1mol/L，硫酸钠溶液与生物炭分散液的体积比为1:1。电极有效面积设定为1cm×2cm，在沉积电流设定为5mA条件下沉积10min，制备成由不同硫酸钠浓度制成的8种污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
3)钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备：采用电沉积法负载金属钌，污泥基生物炭/泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极。将氯化钠/氯化钌混合液作为电沉积液进行电沉积，其中氯化钌溶液浓度为0.1mmol/L，氯化钠浓度设定为0.3mol/L，氯化钠溶液与氯化钌溶液的体积比为1：1。电极有效面积设定为1cm×2cm，在沉积电流设定为5mA条件下沉积10min，制备成钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
实例3：
一种钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
1)污泥基生物炭的制备：将脱水污泥在90℃下干燥过夜，收集后用粉碎机打碎，在管式炉中以通气速率为0.1L/min的氮气气氛下吹扫，并保持升温速率在10℃/min加热，当温度升高至相应的热解温度后，保持该温度煅烧2h；然后，将得到的生物炭颗粒用玛瑙研钵研磨，收集备用。
2)污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备：将泡沫镍放入有机溶剂中超声清洗10分钟，去除表面油脂，再用超纯水冲洗表面，去除有机溶剂。然后自然晾干备用。所述有机溶剂为丙酮、乙醇或丙酮/乙醇混合物。将生物炭放入超纯水中，超声分散30分钟，使生物炭均匀分散在超纯水中，制成生物炭分散液。采用恒电流沉积法以泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极。将硫酸钠/污泥基生物炭混合液作为电沉积液进行电沉积。其中生物炭分散液的浓度设定在0.1g/L，硫酸钠溶液浓度分别设定为0.5mol/L，硫酸钠溶液与生物炭分散液的体积比为1:1。电极有效面积设定为1cm×2cm，在沉积电流分别设定为1、2、3、4、5、6、8、10mA条件下沉积10min，制备成由不同沉积电流制成的8种污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
3)钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备：采用电沉积法负载金属钌，污泥基生物炭/泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极。将氯化钠/氯化钌混合液作为电沉积液进行电沉积，其中氯化钌溶液浓度为0.1mmol/L，氯化钠浓度设定为0.3mol/L，氯化钠溶液与氯化钌溶液的体积比为1：1。电极有效面积设定为1cm×2cm，在沉积电流设定为5mA条件下沉积10min，制备成钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
实例4：
1)污泥基生物炭的制备：将脱水污泥在90℃下干燥过夜，收集后用粉碎机打碎，在管式炉中以通气速率为0.1L/min的氮气气氛下吹扫，并保持升温速率在10℃/min加热，当温度升高至相应的热解温度后，保持该温度煅烧2h；然后，将得到的生物炭颗粒用玛瑙研钵研磨，收集备用。
2)污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备：将泡沫镍放入有机溶剂中超声清洗10分钟，去除表面油脂，再用超纯水冲洗表面，去除有机溶剂。然后自然晾干备用。所述有机溶剂为丙酮、乙醇或丙酮/乙醇混合物。将生物炭放入超纯水中，超声分散30分钟，使生物炭均匀分散在超纯水中，制成生物炭分散液。采用恒电流沉积法以泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极。将硫酸钠/污泥基生物炭混合液作为电沉积液进行电沉积。其中生物炭分散液的浓度设定在0.1g/L，硫酸钠溶液浓度分别设定为0.5mol/L，硫酸钠溶液与生物炭分散液的体积比为1:1。电极有效面积设定为1cm×2cm，在沉积电流设定为5mA条件下，分别沉积5、10、15、20、25、30min，制得成由不同沉积时间制成的6种污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
3)钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备：采用电沉积法负载金属钌，污泥基生物炭/泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极。将氯化钠/氯化钌混合液作为电沉积液进行电沉积，其中氯化钌溶液浓度为0.1mmol/L，氯化钠浓度设定为0.3mol/L，氯化钠溶液与氯化钌溶液的体积比为1：1。电极有效面积设定为1cm×2cm，在沉积电流设定为5mA条件下沉积10min，制备成钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
实例5：
一种钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
1)污泥基生物炭的制备：将脱水污泥在90℃下干燥过夜，收集后用粉碎机打碎，在管式炉中以通气速率为0.1L/min的氮气气氛下吹扫，并保持升温速率在10℃/min加热，当温度升高至相应的热解温度后，保持该温度煅烧2h；然后，将得到的生物炭颗粒用玛瑙研钵研磨，收集备用。
2)污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备：将泡沫镍放入有机溶剂中超声清洗10分钟，去除表面油脂，再用超纯水冲洗表面，去除有机溶剂。然后自然晾干备用。所述有机溶剂为丙酮、乙醇或丙酮/乙醇混合物。将生物炭放入超纯水中，超声分散30分钟，使生物炭均匀分散在超纯水中，制成生物炭分散液。采用恒电流沉积法以泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极。将硫酸钠/污泥基生物炭混合液作为电沉积液进行电沉积。其中生物炭分散液的浓度设定在0.1g/L，硫酸钠溶液浓度分别设定为0.5mol/L，硫酸钠溶液与生物炭分散液的体积比为1:1。电极有效面积设定为1cm×2cm，在沉积电流设定为5mA条件下沉积15min，制得成污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
3)钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备：采用电沉积法负载金属钌，污泥基生物炭/泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极。将氯化钠/氯化钌混合液作为电沉积液进行电沉积，其中氯化钌溶液浓度分别设为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.08、0.1mmol/L，氯化钠浓度设定为0.3mol/L，氯化钠溶液与氯化钌溶液的体积比为1：1。电极有效面积设定为1cm×2cm，在沉积电流设定为5mA条件下沉积10min，制得由不同氯化钌溶液浓度制成的8种钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
实例6：
一种钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
1)污泥基生物炭的制备：将脱水污泥在90℃下干燥过夜，收集后用粉碎机打碎，在管式炉中以通气速率为0.1L/min的氮气气氛下吹扫，并保持升温速率在10℃/min加热，当温度升高至相应的热解温度后，保持该温度煅烧2h；然后，将得到的生物炭颗粒用玛瑙研钵研磨，收集备用。
2)污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备：将泡沫镍放入有机溶剂中超声清洗10分钟，去除表面油脂，再用超纯水冲洗表面，去除有机溶剂。然后自然晾干备用。所述有机溶剂为丙酮、乙醇或丙酮/乙醇混合物。将生物炭放入超纯水中，超声分散30分钟，使生物炭均匀分散在超纯水中，制成生物炭分散液。采用恒电流沉积法以泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极。将硫酸钠/污泥基生物炭混合液作为电沉积液进行电沉积。其中生物炭分散液的浓度设定在0.1g/L，硫酸钠溶液浓度分别设定为0.5mol/L，硫酸钠溶液与生物炭分散液的体积比为1:1。电极有效面积设定为1cm×2cm，在沉积电流设定为5mA条件下沉积15min，制得成污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
3)钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备：采用电沉积法负载金属钌，污泥基生物炭/泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极。将氯化钠/氯化钌混合液作为电沉积液进行电沉积，其中氯化钌溶液浓度为0.05mmol/L，氯化钠浓度分别设定为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1mol/L，氯化钠溶液与氯化钌溶液的体积比为1：1。电极有效面积设定为1cm×2cm，在沉积电流设定为5mA条件下沉积10min，制得由不同氯化钠溶液浓度制成的8种钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
实例7：
一种钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
1)污泥基生物炭的制备：将脱水污泥在90℃下干燥过夜，收集后用粉碎机打碎，在管式炉中以通气速率为0.1L/min的氮气气氛下吹扫，并保持升温速率在10℃/min加热，当温度升高至相应的热解温度后，保持该温度煅烧2h；然后，将得到的生物炭颗粒用玛瑙研钵研磨，收集备用。
2)污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备：将泡沫镍放入有机溶剂中超声清洗10分钟，去除表面油脂，再用超纯水冲洗表面，去除有机溶剂。然后自然晾干备用。所述有机溶剂为丙酮、乙醇或丙酮/乙醇混合物。将生物炭放入超纯水中，超声分散30分钟，使生物炭均匀分散在超纯水中，制成生物炭分散液。采用恒电流沉积法以泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极。将硫酸钠/污泥基生物炭混合液作为电沉积液进行电沉积。其中生物炭分散液的浓度设定在0.1g/L，硫酸钠溶液浓度分别设定为0.5mol/L，硫酸钠溶液与生物炭分散液的体积比为1:1。电极有效面积设定为1cm×2cm，在沉积电流设定为5mA条件下沉积15min，制得成污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
3)钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备：采用电沉积法负载金属钌，污泥基生物炭/泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极。将氯化钠/氯化钌混合液作为电沉积液进行电沉积，其中氯化钌溶液浓度为0.05mmol/L，氯化钠浓度分别设定为0.5mol/L，氯化钠溶液与氯化钌溶液的体积比为1：1。电极有效面积设定为1cm×2cm，在沉积电流分别为1、2、3、4、5、6、8、10mA条件下沉积10min，制得由不同沉积电流制成的8种钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
实例8：
一种钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
1)污泥基生物炭的制备：将脱水污泥在90℃下干燥过夜，收集后用粉碎机打碎，在管式炉中以通气速率为0.1L/min的氮气气氛下吹扫，并保持升温速率在10℃/min加热，当温度升高至相应的热解温度后，保持该温度煅烧2h；然后，将得到的生物炭颗粒用玛瑙研钵研磨，收集备用。
2)污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备：将泡沫镍放入有机溶剂中超声清洗10分钟，去除表面油脂，再用超纯水冲洗表面，去除有机溶剂。然后自然晾干备用。所述有机溶剂为丙酮、乙醇或丙酮/乙醇混合物。将生物炭放入超纯水中，超声分散30分钟，使生物炭均匀分散在超纯水中，制成生物炭分散液。采用恒电流沉积法以泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极。将硫酸钠/污泥基生物炭混合液作为电沉积液进行电沉积。其中生物炭分散液的浓度设定在0.1g/L，硫酸钠溶液浓度分别设定为0.5mol/L，硫酸钠溶液与生物炭分散液的体积比为1:1。电极有效面积设定为1cm×2cm，在沉积电流设定为5mA条件下沉积15min，制得成污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
3)钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备：采用电沉积法负载金属钌，污泥基生物炭/泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极。将氯化钠/氯化钌混合液作为电沉积液进行电沉积，其中氯化钌溶液浓度为0.05mmol/L，氯化钠浓度分别设定为0.5mol/L，氯化钠溶液与氯化钌溶液的体积比为1：1。电极有效面积设定为1cm×2cm，在沉积电流分别为5mA条件下沉积5、10、15、20、25、30min，制得由不同沉积时间制成的6种钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
实例9：
钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料的制备
通过实验得出最佳条件为，脱水污泥在80℃下干燥过夜，热解时间为2h。污泥基生物炭的沉积液浓度为：0.1g/L生物炭分散液与0.5mol/L硫酸钠溶液按1:1混合，电极的有效面积为1×2cm，沉积电流为5mA下沉积15分钟，可制成污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。钌沉液为：0.05mmol/L的氯化钌溶液与0.5mol/L氯化钠溶液按1:1体积比混合。在沉积电流为5mA下沉积15分钟，制备成钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料对四环素进行降解：
污泥基生物炭和钌在泡沫镍表面负载的厚度是通过改变沉积液浓度和调整沉积电流和沉积时间来实现的，通过将制备好的电极对四环素进行电催化降解，来反映电催化性能。由此可以得出以下结论：
从图1和图4得出生物炭分散液浓度和氯化钌溶液的最佳浓度分别为0.1g/L和0.05mmol/L，浓度过低则不能充分发挥生物炭的最佳性能，浓度过高则容易导致负载层过厚，影响电子传递。
从图2、图3和图5、图6可以看出生物炭和钌的最佳沉积电流和沉积时间相同，均为5mA和15min。生物炭和钌的沉积电流和沉积时间不宜过长，若沉积时间过长，则会导致材料负载过厚，从而影响电极材料的导电效率，降低电催化性能，还会浪费材料。
在降解电流为8mA下对四环素进行降解，降解时间为2h，可以将初始浓度为30mg/L的四环素降解至1.6mg/L，降解效率可达94.6％，说明此电催化材料的电催化性能极为优秀。并且在经过了30次循环降解后(如图7所示)，降解效率并没有明显降低，说明此材料的稳定性良好，具有很好的应用前景。
本发明中采用的污泥基生物炭成本为零，而且金属钌虽然是一种贵金属，但相较于铂金、钯金等同族金属，其每克价格不到80元，成本相对较低。而且本发明采用的是微量沉积，金属钌沉积液的质量浓度仅为0.01g/L,，耗药量很低，整体电极材料的成本总体很低，完全解决了电极材料经济性不好的问题。
根据本发明的上述方案，本发明拓宽了污泥基生物炭的应用范围，进一步实现了污泥的资源化，与此同时，通过一个简便的操作方法制备成了一种钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料，此电极制备简单，电催化性能优良，对四环素的降解效果较好
现有电极的能耗及稳定性问题一直受到困扰，本发明制备的电极的工作电流极低，实验中的工作电流仅为毫安级别，并且此电极的重复性较好，此电极在反复反应30余此后，降解效果并没有明显降低。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (11)
1.钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料制备方法，所述钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料为以泡沫镍作为基体，污泥基生物炭作为中间层，在污泥基生物炭表面沉积金属钌制成，其特征在于，所述制备方法包括：
制备污泥基生物炭：
将脱水污泥干燥并粉碎，然后对其进行加热煅烧，得到生物炭颗粒；
将得到的生物炭颗粒用玛瑙研钵研磨，得到污泥基生物炭；
制备污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料：
将泡沫镍放入有机溶剂中超声清洗10分钟，去除表面油脂，再用超纯水冲洗表面，去除有机溶剂，然后自然晾干备用；
将污泥基生物炭放入超纯水中，超声分散30分钟，使生物炭均匀分散在超纯水中，制成生物炭分散液；
采用恒电流沉积法以泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极，将硫酸钠溶液和生物炭分散液的混合液作为电沉积液进行电沉积，得到污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料；
制备钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料：
采用电沉积法在污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料上负载金属钌，以污泥基生物炭/泡沫镍作为阴极，铂片作为阳极，制备得到钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
2.根据权利要求1所述的钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料制备方法，其特征在于，所述将脱水污泥干燥并粉碎，然后对其进行加热煅烧，得到生物炭颗粒为：
将脱水污泥在90℃下干燥过夜，收集后用粉碎机打碎，在管式炉中以通气速率为0.1L·min-1的氮气气氛下吹扫，并保持升温速率在10℃min-1加热，当温度升高至相应的热解温度后，保持该温度煅烧2h，得到生物炭颗粒。
3.根据权利要求1所述的钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为丙酮、乙醇或丙酮/乙醇混合物。
4.根据权利要求1所述的钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料制备方法，其特征在于，所述生物炭分散液的浓度为0.01～0.2g/L，所述硫酸钠溶液的浓度为0.1～1mol/L，硫酸钠溶液与生物炭分散液的体积比为1:1。
5.根据权利要求1所述的钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料制备方法，其特征在于，所述采用电沉积法在污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料上负载金属钌时，将氯化钠/氯化钌混合液作为电沉积液进行电沉积，其中氯化钌溶液浓度为0.01～0.1mmol/L，氯化钠浓度为0.1～1mol/L，氯化钠溶液与氯化钌溶液的体积比为1：1。
6.根据权利要求1所述的钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料制备方法，其特征在于，所述恒电流沉积法为：将阳极接电源正极，阴极接电源负极，以电沉积液为电解液，阴阳两极平行放置，电极间距为2cm，在恒电流为1～10mA条件下，沉积5～30min制得污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料制备方法，其特征在于，所述电沉积法为：将阳极接电源正极，阴极接电源负极，阴阳两极平行放置，电极间距为2cm，在恒电流为1～10mA条件下，沉积5～30min制得钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料制备方法制备的钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料。
9.根据权利要求8所述的钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料在污水处理中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料对污水中抗生素进行降解。
11.根据权利要求10所述的应用，其特征在于，所述抗生素为四环素，所述钌/污泥基生物炭/泡沫镍阴极材料对四环素进行降解的条件为：采用恒电流电催化，反应温度为30℃，四环素初始浓度为30mg/L，在电流8mA条件下，降解2h。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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