[發明專利]炭黑?納米氧化鐵/聚四氟乙烯的非均相管式膜電極

在審

• 申請號: 201611103121.4
• 申請日: 2016-12-05
• 公開（公告）號: CN106587277A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 韓衛清;徐安琳;戴翔;孫秀云;劉曉東;李健生;沈錦優;王連軍
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: C02F1/46
• 分類號: C02F1/46;C02F1/72
• 代理公司: 南京理工大學專利中心32203
• 代理人: 鄒偉紅,朱顯國

技術領域

本發明屬于電催化電極制備領域，具體涉及炭黑-納米氧化鐵非均相管式膜電極的制作方法，以及其在電芬頓催化法處理難降解有機污染物處理中的應用。

背景技術

難降解有機廢水帶來嚴重的環境污染，傳統的水處理工藝不能將其從水環境中徹底去除。電化學氧化法以其高效性、環境友好的特點，引起了廣泛關注。電化學氧化法主要以電子為試劑，避免了化學氧化法需要另外添加藥劑而引起的二次污染問題，反應條件溫和，操作可控性強，是一種節能的環保技術。電化學反應發生在陽極陰極表面，陽極利用自身強氧化作用催化氧化有機污染物；陰極利用原位還原Fe³⁺和O₂，發生電芬頓氧化有機污染物，電極材料開發和電催化反應器設計是提高電化學氧化效率研究的重點。

近年來電芬頓技術作為一種電催化氧化水處理技術，由于其高效的電催化性能和優異的電流效率而越來越受到廣泛關注，電芬頓技術根據反應狀態可以分為均相和非均相電芬頓技術兩種，廣泛采用的均相電芬頓技術由于其在強酸性條件下（pH<3）具有高的催化活性而限制電極材料的使用和廣泛推廣。非均相電芬頓技術可以拓寬電極的使用條件和陰陽極的材料而越來越重要。文獻1（Design of a neutral electro-Fenton system with Fe@Fe₂O₃/ACF composite cathode forwastewater treatment [J]. Journal of Hazardous Materials, 2009）中較早采用活性炭纖維上負載鐵及其氧化物的非均相電芬頓電極用于水處理技術，實驗證明電極在中性偏堿性中可以獲得較高的污染物去除率；因此，進一步開發非均相電芬頓電極來拓寬電芬頓處理技術的使用范圍和條件，及其在水處理中的應用具有十分重要的意義。

此外，目前大部分電芬頓反應裝置都采用傳統的板式電極，其表面污染物傳質效果差，電催化效率低；管式膜電極不但可以提高污染物與電極表面的接觸面積，在流動條件下可以增加紊流來提高傳質效果，從而提高電催化效率。有文獻報道2（Y. Zhang, et al. Improved electrochemical oxidation of tricyclazole from aqueous solution by enhancing mass transfer in a tubular porous electrode electrocatalytic reactor[J]. Electrochimica Acta, 2016）采用在管式膜電極具有優異的電化學性能和傳質系數。但是將管式膜電極應用到電芬頓技術尤其是非均相電芬頓技術中尚未見報道，因此開發管式膜非均相電芬頓技術具有十分重要的意義。

發明內容

本發明目的提供了一種可在中性偏堿性的條件下具有較高電催化效率的管式膜非均相電芬頓電極及其制備方法。

本發明的炭黑-納米氧化鐵/聚四氟乙烯的非均相管式膜電極，所述電極由炭黑-納米氧化鐵/聚四氟乙烯的復合材料制成的活性層負載在管式石墨膜基底上，再在最外層負載炭黑-聚四氟乙烯作為還原層得到，其中，炭黑-納米氧化鐵/聚四氟乙烯的復合材料是由質量比為7:1:5的炭黑、納米氧化鐵和聚四氟乙烯混合形成。

進一步的，管式石墨膜基底的外徑為50 mm，壁厚2 mm，長30mm。

上述電極的制備方法，包括如下步驟：

步驟1，將納米炭黑、硝酸鐵和聚四氟乙烯加入乙醇中制得活性層前驅液，將預處理好的管式石墨膜基底置于活性層前驅液中超聲處理，真空干燥、焙燒，重復超聲處理，真空干燥、焙燒后獲得活性層；

步驟2，將納米炭黑、聚四氟乙烯置于有機溶劑中制得還原層前驅液，步驟1所述電極置于還原層前驅液中超聲處理，真空干燥、焙燒，重復超聲處理，真空干燥、焙燒后獲得還原層；

步驟3，步驟2制得的電極置于聚四氟乙烯乳液中超聲處理，干燥、焙燒后獲得保護層，制得所述的管式膜電極。

進一步的，步驟1中，管式石墨膜基底的表面通過丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗進行預處理。

進一步的，步驟1中，活性層前驅液由2.0~3.0wt%炭黑、1.5~2.0 wt %聚四氟乙烯、2.0~3.2 wt %硝酸鐵組成，其中，所述的炭黑和鐵離子的質量比為7:1。