[發明專利]一種負載四氧化三鈷的陰極碳材料活化過硫酸鹽強化光電催化降解有機物的方法

在審

• 申請號: 201611110468.1
• 申請日: 2016-12-06
• 公開（公告）號: CN108147507A
• 公開（公告）日: 2018-06-12
• 發明（設計）人: 趙旭;劉珊珊
• 申請（專利權）人: 中國科學院生態環境研究中心
• 主分類號: C02F1/467
• 分類號: C02F1/467;C02F1/30
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于水處理技術領域，具體涉及一種負載四氧化三鈷的陰極碳材料活化過硫酸鹽強化光電催化降解有機物的方法。采用具有可見光響應的光催化陽極，負載四氧化三鈷的陰極碳材料及波長大于420nm的可見光源組成光電催化系統。在待處理水中投加濃度為1.0–10.0mM的電解質，濃度為0.2–20.0mM的過硫酸鹽，施加外加偏壓0.1–2.0V；電化學處理時間為30–120分鐘。本方法中投加的過硫酸鹽可以被陰極材料活化產生硫酸根自由基和羥基自由基，結合光催化陽極產生的活性氧化物質，共同強化有機污染物的降解和去除。

技術領域

本發明屬于水處理領域，涉及一種負載四氧化三鈷的陰極碳材料活化過硫酸鹽強化光電催化降解有機物的方法。

背景技術

伴隨著城市化進程的加快和工業化進程的推進，處理來自農業、城市污水系統、工業排放等諸多來源水體中的有機物成為了環境領域的一大挑戰。傳統的水處理方法如吸附、超濾等物理法只是將污染物從一種介質轉移到了另一種介質，并沒有實現有機物的根本降解和去除；城市污水處理系統應用較多的生物法涉及微生物的馴化和培養，對環境條件要求苛刻，且難降解有毒有機物對微生物具有毒害作用；化學法如投加雙氧水、含氯物質或臭氧等氧化劑是較為常用的處理手段，但是對有機物的礦化去除能力較弱。

基于半導體材料的光電催化氧化技術是一種環境友好型水處理技術，它主要通過光照半導體電極材料產生光生空穴及誘發產生活性自由基(包括羥基自由基、超氧自由基、單線態氧等)來直接降解礦化有機物，這個過程主要利用半導體陽極的催化作用，因此陰極并沒有得到有效利用。目前，光電催化氧化技術對污染物的氧化效率仍有待進一步提高。

基于硫酸根自由基的高級氧化技術因其適用pH范圍廣、氧化能力強及無二次污染而備受關注。過硫酸鹽是一類具有過氧鍵的氧化劑，與過氧化氫具有類似結構；常溫下不易表現出氧化性質，需要通過外界活化來產生具有強氧化性的硫酸根自由基來降解有機污染物。常用的活化方法包括紫外光、加熱、微波等物理活化，以及過渡金屬離子活化等。其中過渡金屬離子活化以其能耗低、反應迅速而被廣泛研究。但也存在金屬離子需后續分離的問題。

基于以上分析，本申請擬將過硫酸鹽引入光電催化體系，將四氧化三鈷負載在陰極碳材料活化過硫酸鹽，同時利用光生電子促進陰極四氧化三鈷中鈷的價態轉化與循環，提高光電催化系統對有機污染物的降解效率，同時解決了過渡金屬離子活化過硫酸鹽需分離回收的問題。

發明內容

本發明的目的是，利用陰極活化產生的硫酸根自由基強化光電催化體系降解水中有機污染物。為此，在光電催化體系中加入過硫酸鹽，通過陰極材料上過渡金屬氧化物的活化作用，產生具有較高氧化活性的硫酸根自由基和羥基自由基，實現水中有機污染物的快速降解去除。

為了實現以上目的，本發明采用如下技術方案：

在反應器中加入有機污染物，采用具有可見光響應的光催化陽極，采用負載四氧化三鈷的碳陰極材料，波長大于420nm的可見光作為光催化電源，恒電位儀或直流電源供電。向反應器中投加濃度為1.0–10.0mM的電解質，濃度為0.2–20.0mM的過硫酸鹽，外加偏壓設置為0.1–2.0V，電化學處理時間為30–120min。

所述的負載四氧化三鈷的陰極碳材料，負載方法是：將氫氧化鈉和硝酸鈷以摩爾比4:1的比例加入到水中轉移至反應釜，并向其中投加碳材料，150℃反應5小時，多次清洗并烘干得到負載四氧化三鈷的碳基底材料；

所述的具有可見光催化活性的半導體光電極包括，鉬酸鉍電極、石墨相氮化碳電極等；

所述過硫酸鹽為過硫酸鈉或過硫酸鉀或過硫酸氫鉀復合鹽，在光電催化反應器中的總濃度為0.2–20.0mM；

所述的有機污染物，包括常見的亞甲基藍，雙氯芬酸鈉，苯酚等。

本發明的一種負載四氧化三鈷的陰極碳材料活化過硫酸鹽強化光電催化降解有機物的方法的技術原理如下：