[發明專利]一種用于電化學處理高濃度有機廢水的生物碳基納米鐵耦合自清潔三維電極及其使用方法

在審

• 申請號: 202110034457.4
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112723497A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 利鋒;張超
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C02F1/467
• 分類號: C02F1/467;C02F101/30
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;江裕強

本發明公開一種用于電化學處理高濃度有機廢水的生物碳基納米鐵耦合自清潔三維電極及其使用方法。該電極包括供鐵生物碳基納米鐵耦合陽極與自由基氧化生物碳基納米鐵耦合陰極，組合三維電極的結構優勢，充分發揮生物碳基納米鐵與正負電流的結合優勢，高效將電能轉化為化學能用以污染物斷鍵降解。本發明是基于陽極直接氧化、間接氧化與陰極自由基氧化原理，特點如下：生物碳基納米鐵能將電解液中有機污染物吸附集中在陰陽兩極表面形成限域降解從而成倍提高電化學降解效率；通過陰陽兩極分別原位生成的過氧化氫與二價鐵持續生成氧化性自由基高效氧化污染物而達到自清潔效果；通過增強陽極氧化克服堿性條件零效率障礙，高效處理高濃度有機廢水。

技術領域

本發明涉及一種高濃度有機廢液的高效處理電極，具體涉及一種用于電化學處理高濃度有機廢水的生物碳基納米鐵耦合自清潔三維電極及其使用方法。

背景技術

生物碳基環境友好材料的制備是目前最有前景且應用最廣泛的廢物回收利用技術。生物碳基材料是通過固體廢棄物無氧熱解后進一步改性得到的環境友好型材料，雖然其優越的吸附性能已經得到多方面驗證，但其氧化還原特性與電化學性能卻容易被科學領域所忽視。優越的電導性使得生物碳基材料足以充當電化學反應器的電極，另外，生物碳基材料表面密布有多種催化活性官能團，在增強化學吸附的同時可以利用其氧化還原特性進行多相催化，反向推動電化學反應的進程，最終高效地降解有機污染物。

生物碳基納米鐵耦合自清潔三維電極集合了生物碳基材料與納米零價鐵材料的優勢。零價納米鐵具有較強的還原性，另外其特有的表面效應和小尺寸效應(納米級)，從而同時具有優越的吸附性。金屬鐵的導電性也為生物碳基納米鐵的電極應用增光添彩。更重要的是零價納米鐵具有出色的脫氯性能，由于化合物支鏈上的氯原子是該化合物生物毒性的重要來源，所以這一性能對有機氯化物脫毒具有重大意義。

生物碳基納米鐵耦合自清潔三維電極在電化學反應器降解高濃度有機廢水的過程中意義重大。首先，生物碳基納米鐵耦合自清潔三維電極的強吸附性使得廢水中的持久性有機污染物形成電極趨向運動，并將其穩定吸附在陰陽兩極表面形成限域降解，可以成倍提高對陽極氧化與陰極自由基氧化效果的利用效率；其次，在陰極電子輸入作用下，生物碳基納米鐵陰極表面上付著的氣泵輸入的氧氣發生二電子反應被高效還原為過氧化氫，加上陽極上生物碳基納米鐵失去電子生成的二價鐵離子，兩者形成催化反應，在溶液中尤其是陰極周邊形成大量氧化性自由基，由于氧化性自由基的壽命極短，恰好利用生物碳基納米鐵的吸附性將持久性有機污染物吸附在陰極表面，成倍提高了陰極自由基氧化的效率；再次，生物碳基納米鐵陽極同樣將持久性有機污染物集中于表面，利用陽極強氧化性使其失去電子，直接斷鍵降解，另外陽極間接氧化作用可以將水氧化為過氧化氫，利用二價鐵離子過氧化氫活化為氧化性自由基，同樣地，強力的吸附作用形成的限域降解可以成倍地增加降解效果；更重要的是，因為陽極氧化作用不受有機廢水pH的限制，生物碳基納米鐵增強的陽極氧化作用可以克服傳統反應系統堿性條件下零降解效率的問題，從而大大擴展了電化學自由基氧化的pH適用范圍，解決了工程上的重大難題。

目前大部分的三維電極電化學處理高濃度有機廢水是利用昂貴的改性電極，基于自由基氧化原理，利用強氧化性羥基自由基對目標有機污染物氧化降解而設計的裝置。例如：中國專利(專利號為：CN106966465A)三維電極構筑電化學處理高濃度有機廢水，是利用羥基自由基氧化技術去除污水中的有機污染物，達到污水處理與凈化的目的，但事實并不能如所述克服電該系統在堿性條件下極低的處理效率，且該電極改性較為昂貴，達到污水處理市場普及并不容易。另外，中國專利(專利號為：CN 103553188 A)，是一種基于電催化粒子電極材料處理高濃度有機廢水的方法，雖然可以通過陽極氧化等作用對有機廢水中部分有機污染物達到去除效果，但因為根本上忽略了陰極產生氧化性自由基在系統中的作用，使得缺少了陰極在電化學體系中的所能扮演的重要角色，降解效率折半；且電極改性過程極為復雜，難以做到廣泛使用。盡管大部分電化學處理高濃度有機廢水的電極都通過各種方式提升其有機污染物處理效率，但都沒有做到簡單實用。