[發明專利]一種SnO2-WO3/納米石墨陽極電催化降解水中抗生素的方法

在審

• 申請號: 201910162452.2
• 申請日: 2019-03-05
• 公開（公告）號: CN110002549A
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發明（設計）人: 鄒金龍;都健男;張艷紅
• 申請（專利權）人: 黑龍江大學
• 主分類號: C02F1/467
• 分類號: C02F1/467;C02F1/461;C02F101/36
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一種SnO₂?WO₃/納米石墨陽極電催化降解水中抗生素的方法，它涉及一種電催化陽極的制備及降解方法的應用。本發明的目的是要解決傳統電催化工藝羥基自由基及過氧化氫等活性物質產量低、降解效果差、外加電壓偏高，中間有毒副產物多等問題。過程包括：一、SnO₂?WO₃/納米石墨復合催化劑的制備；二、陽極催化劑層的制備；三、SnO₂?WO₃/納米石墨陽極降解頭孢他啶廢水的工藝參數。使用本發明制備的陽極在外加電壓為2.5V時，對頭孢他啶的電催化降解率可以達到95%。催化劑活性組分與載體在多次重復使用后性能下降較小，催化穩定性好，電極制備工藝簡單，制作成本低廉，能有效降低降解工藝的能源消耗，真正做到了節能環保。

技術領域

本發明涉及一種廢水中頭孢他啶抗生素的電催化降解的技術方法，屬于環保廢水處理技術和電化學技術領域。

背景技術

抗生素是PPCPs中的一類典型有機污染物，主要是用于治療致病微生物（多為真菌和細菌）所致的感染病癥；在我國，抗生素在人類生活以及農業產業中的用量是十分巨大的，同時，我國還是抗生素生產和消費大國；在21世紀初期，我國的青霉素、土霉素和多西環素的產量是世界第一，在世界總產量的占比都在60％以上；傳統的污水處理廠沒有針對抗生素的去除而設計工藝，在抗生素的監測和去除方面還存在一些細節上的問題。抗生素污染問題在我國尤為嚴峻，雖然水體中的抗生素含量極低，一般在ng/L的級別；但是，抗生素大多具有較強的生物活性，旋光性和極性，是一種持續性的污染物。頭孢類抗生素種類繁多，包括頭孢他啶，頭孢曲松鈉，頭孢脞啉等，在抗生素廢水中占有很大的比例。

在這種情況下，高級氧化技術(Advanced Oxidation Processes, AOP)開始逐步替代生物處理技術來降解抗生素（含頭孢他啶）廢水。AOP法最顯著的特點是以羥基自由基（?OH）和空穴（h⁺）為主要氧化劑與有機物發生反應；在降解過程中，期望生成不穩定、低毒性、易于被生物降解的中間產物，直至礦化成CO₂和H₂O。電催化（electrochemicalcatalysis, EC）是AOP工藝中效率較高的方法之一，它具有高效性、多樣性、低成本、操作簡便等特點，并且能耗相對較低，是一種 “環境友好”型的綠色工藝。它能夠在溶液中和陽極表面同時產生強氧化劑（?OH），在陰極直接生成雙氧水（H₂O₂，其可以繼續被催化生成其它活性氧物種），無選擇性地氧化降解水體中的絕大部分有機污染物；在電催化廢水處理系統中,電極是電化學反應器的心臟,探索綜合性能好的陽極材料一直是該工藝的研究重心,優良的電極要求有較高的析氧電位和催化活性,且在廢水中具有較高的穩定性和抗腐蝕性；由于受到電極結構、電極組分、電極的催化活性和水中溶解氧濃度等因素的限制，金屬陽極由于其有限的電化學活性面積，以及昂貴的價格，限制了大規模的應用。目前，廣泛使用的是商用鈦鍍釕(DSA)陽極，但其制備工藝復雜，而且表面的鍍層會由于長期使用脫落至水體中，造成二次污染；而且，電極在溶解氧豐富的水體中容易發生腐蝕；因此，制備一種兼具優良導電性和長久的循環穩定性的電極是提高電催化效率，加快降解速度，減少中間毒性物質產生的關鍵。

石墨材料是常見的電催化降解催化劑的載體，由于其優良的電導率、較大的比表面積、良好的化學惰性，有利于電化學中的電子轉移、吸附金屬催化劑顆粒、防止金屬納米顆粒從載體上脫落，從而提高催化劑的催化活性和穩定性；其中，納米石墨材料的原料價格低廉，耐化學腐蝕，抗酸、堿及有機溶劑，由于納米結構，與其前體鱗片石墨相比具有更好的導電性，更大的比表面積和表面能，與傳統碳材料相比制作簡單、生產成本低，實現碳材料的可持續發展；納米石墨采用傳統的hummers法制備，通過引入金屬氧化物增加碳骨架的導電能力，以及羥基自由基生成，并且雙金屬氧化物的協同效應不僅提供了豐富的氧空位，也使催化劑的穩定性得以提升。