[發明專利]一種雙極性電極及其制備方法、及廢水處理系統

有效

• 申請號: 202110411232.6
• 申請日: 2021-04-16
• 公開（公告）號: CN113264573B
• 公開（公告）日: 2023-01-13
• 發明（設計）人: 李曉良;鄭興;張耀中;王一帆
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: C02F1/461
• 分類號: C02F1/461;C02F1/72;C02F101/36
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 王丹

本發明公開了一種雙極性電極及其制備方法、及廢水處理系統，包括基體，基體表面負載有中間層，中間層兩側分別負載有陽極催化層、陰極催化層。制備方法包括：對陶瓷膜進行修飾，得到弱導電化基體；對基體進行水熱合成?疏水化處理，在其骨架內嵌入GQDs，在基體表面形成疏水性中間層；將中間層兩側分別負載金屬氧化物、金屬，分別形成陽極催化層、陰極催化層。能實現低含鹽量鹵代污染物廢水的高效、低耗凈化以及有效脫毒。

技術領域

本發明屬于難降解有機廢水處理技術領域，涉及一種雙極性電極，還涉及上述雙極性電極的制備方法，還涉及應用雙極性電極的廢水處理系統。

背景技術

鹵代污染物(HOPs)作為一種重要的有機化合物，在農業、醫療、化工等領域被廣泛應用。由于碳-鹵鍵的存在，使得該類物質具有持久性強、累積范圍廣和生物毒性高等特點，其大量使用和排放給水環境與人體健康帶來潛在的威脅。然而，傳統工藝(包括過濾、混凝、微生物代謝等)脫鹵降解效果較差或無法從根本上消除HOPs。隨著當下HOPs的廣泛持續使用，如何開發出高效的脫鹵降解技術已迫在眉睫。

電催化(氧化/還原)——作為21世紀“新污染物”降解領域最具潛力的環境友好型技術之一，具有反應快速、操作便捷、條件可控等優點。其過程產生的羥基自由基(·OH)、過氧化氫(H₂O₂)、吸附態[H]_ads等活性物種會促進碳-鹵鍵的斷裂及HOPs的進一步降解，是一項深具潛力的綠色技術。電極作為電催化反應過程中的核心部件，對污染物去除效果至關重要，其中大多數有機污染物的去除依靠陽極的催化氧化能力而實現自身的分解乃至礦化。然而，針對HOPs持久性污染物，僅依靠陽極的氧化作用很難打斷碳-鹵鍵，導致脫鹵率很低，水質毒性風險依然存在。而電催化還原可以優先攻擊電負性較強的鹵素原子以及電子云密度較低的碳原子，促使HOPs中的碳-鹵鍵斷裂，達到快速脫鹵的目的。

除此之外，在傳統開放式電催化反應體系中，陰極與陽極大多分立存在，廢水中難降解有機物主要通過與電極表面接觸實現去除。但由于反應產生的關鍵活性物種·OH自由基半衰期極短(10^-6～10^-9s)，水中污染物與電極界面/自由基接觸受限，即使在良好的水力條件下傳質過程依然較弱，導致自由基利用效率低下，析氧、析氫等副反應加劇。基于以上所述，如何實現更加高效、低耗的HOPs脫鹵降解過程仍然有諸多關鍵難題亟待解決，其中的核心問題是如何提高電催化還原與氧化的高效協同以及電催化反應體系的傳質效率。

發明內容

本發明的目的是提供一種雙極性電極，解決了現有技術中存在的氧化還原協同效應及傳質效率不足而導致污染物脫鹵降解效果差的問題。

本發明所采用的技術方案是，一種雙極性電極，包括基體，基體表面負載有中間層，中間層兩側分別負載有陽極催化層、陰極催化層。

本發明的特點還在于：

基體為表面負載有氫氧鈦的陶瓷膜，中間層的材料為石墨烯量子點(GQDs)，陽極催化層的材料為具有催化氧化能力的金屬氧化物，陰極催化層的材料為催化還原能力的金屬。

陶瓷膜材質包括Al₂O₃、TiO₂、SiO₂、SiC或ZrO₂。

本發明的另一目的是提供一種雙極性電極的制備方法。

本發明所采用的另一種技術方案是，一種雙極性電極的制備方法，包括：對陶瓷膜進行修飾，得到弱導電化基體；對基體進行水熱合成-疏水化處理，在其骨架內嵌入GQDs，在基體表面形成疏水性中間層；將中間層兩側分別負載金屬氧化物、金屬，分別形成陽極催化層、陰極催化層。

具體包括以下步驟：