[發明專利]光/生物電化學集成模塊水體凈化系統裝置及其應用

有效

• 申請號: 202011103887.9
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112456634B
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發明（設計）人: 陳英文;范夢婕;劉濟寧;沈樹寶
• 申請（專利權）人: 南京工業大學;南京朗科環保科技有限公司
• 主分類號: C02F3/00
• 分類號: C02F3/00;C02F3/34;C02F1/461;C02F1/467;C02F101/32;C02F101/36
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 唐循文

光/生物電化學集成模塊水體凈化系統裝置及其應用，包括由光催化系統裝置和生物電化學處理單元組成，所述光催化系統裝置包括太陽光伏電池，所述生物電化學處理單元包括至少一組由生物陽極、復合陰極和附加陰極組成的電路，其中復合陰極和附加陰極并聯，所述生物陽極為碳材料，復合陰極以碳材料為基材，原位合成纖維素炭氣凝膠改性，經共沉淀負載鐵基氧化物，附加陰極上負載石墨烯、鐵氧化物或二硫化鉬為催化劑。本發明將水體中痕量有機微污染物快速吸附于復合陰極，在附加陰極與外光源系統的協同作用下同步實現催化氧化分解為小分子，然后經生物陽極深度降解為二氧化碳和水，實現水體微污染高效凈化。

技術領域

本發明涉及痕量污染物處理領域，具體涉及一種光/生物電化學集成模塊水體凈化系統裝置及其應用。

背景技術

痕量有機污染物是指通過各種環境介質（大氣、水、生物體等）能夠長距離遷移并長期存在于環境，具有長期殘留性、生物蓄積性、半揮發性和高毒性，對人類健康和生態環境具有嚴重危害，如多環芳烴、全氟類化合物、溴代阻燃劑等。這些物質在各種工業生產和日常生活中廣泛使用，會通過污水排放、產品廢棄等途徑進入環境中。

目前對環境中痕量有機污染物的去除方法主要包括物理法、化學法和生物法。物理法主要通過吸附作用實現污染物的去除，該方法不能實現痕量有機污染物的徹底降解。化學法包括光催化氧化、直接化學氧化等技術。生物法則是利用微生物的生長代謝作用實現有機污染物的降解，但存在降解效率低等問題。因此，每種方法都有各自的優缺點，如何將不同方法有機結合，實現痕量有機污染物的快速、高效、徹底的降解成為了研究重點。

發明內容

解決的技術問題：針對以上存在的問題，本發明提供了一種光/生物電化學集成模塊水體凈化系統裝置及其應用，將吸附濃縮、產過氧化氫、光/芬頓化學氧化以及生物降解耦合于一體，為有效解決環境中痕量有機污染物難以降解問題提供一條新途徑。

技術方案：光/生物電化學集成模塊水體凈化系統裝置，由光催化系統裝置和生物電化學處理單元組成，所述光催化系統裝置包括太陽光伏電池，所述生物電化學處理單元包括至少一組由生物陽極、復合陰極和附加陰極組成的電路，其中復合陰極和附加陰極并聯，所述生物陽極為碳材料，復合陰極以碳材料為基材，原位合成纖維素炭氣凝膠改性，經共沉淀負載鐵基氧化物，附加陰極上負載石墨烯、鐵氧化物或二硫化鉬為催化劑。

上述光催化系統裝置中所需光源包括太陽光、紫外光或人工可見光。

上述太陽光伏電池外加低電壓范圍為0.2 V-0.8 V。

上述生物電化學處理單元中的生物陽極、復合陰極與附加陰極電極的碳材料包括石墨棒、碳氈或碳刷。

上述復合陰極的制備步驟為：（1）將木材或竹材原料分散于質量分數為10%的氫氧化鈉溶液中，在60-90 ℃下攪拌2-4 h后過濾；將過濾后的樣品加入到pH為4-5濃度為1mol/L的亞氯酸鈉溶液中，在60-90 ℃下攪拌2-4 h后，用蒸餾水洗滌至中性，得到纖維素懸浮液；（2）將纖維素懸浮液經100 Hz超聲處理得到分散性良好的微/納米纖維素懸浮液，并將碳材料置于微/納米纖維素懸浮液中，其中碳材料與微/納米纖維素懸浮液的質量比為1:（1-10）；（3）將上步制得的含有碳材料的纖維素懸浮液靜置于40-80 ℃下2-10 h，得到含有碳材料的纖維素水凝膠；（4）通過冷凍干燥將含有碳材料的纖維素水凝膠在-40至-80 ℃下干燥24-36 h形成纖維素氣凝膠；（5）將含有碳材料的纖維素氣凝膠在惰性氣體保護下，700-1000 ℃碳化2 h，最終在碳材料上原位制備出具有導電性的纖維素炭氣凝膠，記為陰極電極材料1；（6）利用共沉淀法或浸漬法在陰極電極材料1上原位合成鐵基氧化物，最終制得復合陰極。

上述鐵基氧化物為Fe₃O₄或Fe-Mn二元氧化物。

上述附加陰極的制備方法為涂布法、浸漬法或原位合成法。