一种多功能三维电极材料及其制备方法和利用该多功能三维电极材料的反应器技术

本发明专利技术公开一种多功能三维电极材料，所述三维电极材料是由导电组分、复合催化组分和粘合剂组分按照质量比(5‑10):(10‑25)：(5‑15)的比例，经均匀混合、造粒、焙烧而制得，焙烧温度500‑1000℃，焙烧时间2‑8h。本三维电极的制备以及在反应器中的应用克服了电化学氧化过程中对极间距较窄的限制，导电材料与多重催化效果的有机整合制备的三维电极材料一方面极大的扩大了极间距，提升了整个装置的处理水量；另一方面具有光催化、电催化的多重效应，极大地提高了对难降解有机物的降解效率。

A multifunctional three-dimensional electrode material and its preparation method and a reactor using the multifunctional three-dimensional electrode material

The invention discloses a multifunctional three-dimensional electrode material. The three-dimensional electrode material is prepared by homogeneous mixing, granulation and calcination of conductive component, composite catalytic component and adhesive component in the proportion of (5_10): (10_25): (5_15). The calcination temperature is 500_1000 C and the calcination time is 2_8h. The preparation of the three-dimensional electrode and its application in the reactor overcome the limitation of narrow electrode spacing in the process of electrochemical oxidation. On the one hand, the three-dimensional electrode materials prepared by the organic integration of conductive materials and multiple catalytic effects greatly enlarge the electrode spacing and enhance the water treatment capacity of the whole device; on the other hand, it has photocatalysis. The multiple effects of electrocatalysis have greatly improved the degradation efficiency of refractory organic compounds.

【技术实现步骤摘要】
一种多功能三维电极材料及其制备方法和利用该多功能三维电极材料的反应器
本专利技术属于环保设备难降解有机物处理
，涉及三维电极材料的制备、废水中难降解有机物的去除、催化导电三维电极体系的构造，尤其是一种多功能三维电极材料及其制备方法和利用该多功能三维电极材料的反应器。
技术介绍
随着近代医药行业及化工行业的迅猛发展，苯系物等一类有机物被大量使用在各个方面，是染料、药粉、炸药、农药、制造塑料等有机合成物的重要原料。因此含苯系物的有毒有害的废水被大量排放。苯系物废水来源广泛，水量大，难降解，并且对生命体具有很强的毒害作用，引起了环保人士的普遍重视。由于苯系物等难降解废水所具有的毒害性以及其难以被降解的特性，人们对其的认识程度也不断加深，对含此类污染物的废水的处置方法也在推陈出新。对于难降解有机废水，比较传统的处置方式有生化法、物理萃取法以及活性炭吸附法等。但是对于生化法而言，需要对优势菌株进行筛选，并且需要在处理前培养具有降解能力的特殊菌株，此外微生物对污染物浓度的高低要求非常高，一般只适于处理具有含有较低浓度污染物的废水。对于物理萃取法以及活性炭吸附法来说，具有较高的处理成本，不适用于工厂大量排放的废水的处理。难降解废水处理难度不断加大，高级氧化技术随之不断发展起来，以·OH为主要氧化剂的高级氧化技术得到大规模应用。特别是对难降解有机废水的处置上，高级氧化技术凭借其所具有的独特的优势对难降解有机废水降解会有一个较好的处理效果。就目前所使用的技术而言，所用的高级氧化技术主要有：光催化氧化法、电Fenton氧化法、臭氧氧化法以及电化学氧化法。近年来，一种新型的氧化技术及双极膜氧化技术被研究推出。除了可以应用该装置将盐制备成酸和碱外，目前还开发出在外加电场的作用下，通过TiO2改性双极膜的作用对难降解有机物进行催化氧化，并且通过加入电解质的方法保证整个体系电流的通路。从而通过TiO2的光催化降解以及双极膜中水的解离能力形成氧化自由基对有机物实现矿化。与传统氧化法相比，其降解效率得到一定提升，且对有机物降解效率明显。但该技术，又暴露出来新的问题，体现在如下几方面：1、装置的导电通过外加电解质来实现，造成药剂成本的提升；2、改性双极膜的制备过程比较复杂；3、整个装置依靠电极传递电子，造成电流效率不高。因此，目前亟需一种环保相关材料或设备。通过检索，尚未发现与本专利技术相关的专利公开文献。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服原有技术的不足之处，提供一种多功能三维电极材料及其制备方法和利用该多功能三维电极材料的反应器，该电极材料一方面能够增强其电子传质能力和导电性能，代替电解质，可多次循环利用，另一方面其具有催化剂的功效，其中光催化剂不仅在紫外光下有效，而且光谱范围可以拓宽到可见光，复合组分的催化剂进一步提升其在反应器内对有机物的催化降解效果，在难降解有机物的降解方面取得更高的效率，并且进一步降低废水处理成本。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案是：一种多功能三维电极材料，所述三维电极材料是由导电组分、复合催化组分和粘合剂组分按照质量比(5-10):(10-25)：(5-15)的比例，经均匀混合、造粒、焙烧而制得，焙烧温度500-1000℃，焙烧时间2-8h；其中，所述复合催化组分包括光催化组分、稀土元素组分和过渡金属催化组分，所述光催化组分、稀土元素组分和过渡金属元素组分的质量比为：(10-20)：(5-10)：(10-20)。而且，所述多功能三维电极材料呈直径为5-10mm的球型颗粒。而且，所述导电组分为石墨粉、活性炭、导电陶瓷中的一种或几种的混合物。而且，所述光催化组分为TiO2、SnO2、Co3O4、V2O5中的一种或几种的混合物；所述稀土元素组分为镧、钕、镨、铈氧化物中的一种或几种的混合物；所述过渡金属催化组分为Fe2O3、MnO2、Al2O3、CuO中的一种或几种的混合物。而且，所述多功能三维电极材料的制备步骤如下：按照比例称取导电组分、复合催化组分及粘合剂组分，充分搅拌至完全混合均匀，加入水后利用造粒机造粒成均匀的5-10mm的球体，将材料置于高温管式炉内，在流动的氮气气氛的保护下，高温焙烧2-8h，同时完全除去水分，即得多功能三维电极材料。利用如上所述的多功能三维电极材料的反应器，所述反应器包括直流电源、出水口、曝气机、石墨阳极、三维电极材料、双极膜、石墨阴极、进水口、曝气头、带孔承托板、布水器和槽体，所述槽体沿水平方向对称设置两个，两个槽体之间设置双极膜，该双极膜能够将两个槽体分隔为两个独立密封设置的阳室和阴室，所述石墨阳极设置于阳室内，所述石墨阴极设置于阴室内，所述直流电源的正极与石墨阳极相连接设置，该直流电源的负极与石墨阴极相连接设置；所述槽体的下部与底部相间隔且与底部相平行密封设置一带孔承托板，该带孔承托板上沿水平方向间隔制有沿竖直方向设置的通孔，通孔的直径保证水能够从通孔中通过、多功能三维电极材料不能从通孔中通过，所述带孔承托板上方的槽体内设置多功能三维电极材料，形成连通电路，该带孔承托板下方的槽体内沿水平方向均布间隔设置多个布水器和曝气头；所述带孔承托板下方的两个槽体上分别均设置有进水口，所述多功能三维电极材料上方的两个槽体上分别均设置有出水口，进而实现水下进上出连续运行，所述曝气装置设置于槽体外，所述曝气头均与曝气装置相连接设置，曝气头均匀分布在带孔承托板下方的槽体内用于供氧。而且，所述反应器还包括垫片和螺栓，所述槽体与双极膜之间通过垫片进行密封设置，且通过螺栓固定。而且，所述直流电源的电压为5-15V；或者，所述槽体为长方形槽体；或者，所述多功能三维电极材料为球状。而且，所述石墨阴极和石墨阳极为板状、网状或柱状结构。而且，所述多功能三维电极材料一层一层水平铺设在槽体内部，固液体积比1：3。本专利技术取得的优点和积极效果是：1、本三维电极的制备以及在反应器中的应用克服了电化学氧化过程中对极间距较窄的限制，导电材料与多重催化效果的有机整合制备的三维电极材料一方面极大的扩大了极间距，提升了整个装置的处理水量；另一方面具有光催化、电催化的多重效应，极大地提高了对难降解有机物的降解效率。2、本专利技术三维电极材料在反应装置中构成三维电极反应体系，提高了废水与电极表面接触的比表面积，在通过电流时，与改性催化双极膜相比，废水与催化导电材料接触更充分，提升了废水降解效率。3、本专利技术三维电极材料复配催化组分与三维电极导电材料有机整合，克服了膜改性过程中出现的制膜困难，节约了制膜成本，同时避免了制膜过程中对有毒有害有机试剂的大量使用，球型三维电极材料的制备不仅可以提升电极材料机械强度和使用寿命，不易掉粉，并且使反应器内三维电极材料的更换更为快捷方便。4、本专利技术三维电极材料采用混合法制备，导电组分作为本三维电极的电极材料在反应过程中起到导电及传递电子的作用，导电组分的加入有利于提高电子传递效率，避免电解质加入所造成的成本的提升以及废水盐度的增加；复合催化组分作为本三维电极的催化材料在反应过程中起到增强降解效率的作用；粘合剂组分作为本三维电极的粘连材料将各个组分紧密结合在一起，增强三维电极的机械强度，掺入一定比例镧、钕、镨及铈氧化物中的至少之一，拓宽光谱范围及延长催化剂寿命。5、本专利技术三维电极材料一方面具有导电功本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能三维电极材料，其特征在于：所述三维电极材料是由导电组分、复合催化组分和粘合剂组分按照质量比(5‑10):(10‑25)：(5‑15)的比例，经均匀混合、造粒、焙烧而制得，焙烧温度500‑1000℃，焙烧时间2‑8h；其中，所述复合催化组分包括光催化组分、稀土元素组分和过渡金属催化组分，所述光催化组分、稀土元素组分和过渡金属元素组分的质量比为：(10‑20)：(5‑10)：(10‑20)。

【技术特征摘要】
1.一种多功能三维电极材料，其特征在于：所述三维电极材料是由导电组分、复合催化组分和粘合剂组分按照质量比(5-10):(10-25)：(5-15)的比例，经均匀混合、造粒、焙烧而制得，焙烧温度500-1000℃，焙烧时间2-8h；其中，所述复合催化组分包括光催化组分、稀土元素组分和过渡金属催化组分，所述光催化组分、稀土元素组分和过渡金属元素组分的质量比为：(10-20)：(5-10)：(10-20)。2.根据权利要求1所述的多功能三维电极材料，其特征在于：所述多功能三维电极材料呈直径为5-10mm的球型颗粒。3.根据权利要求1所述的多功能三维电极材料，其特征在于：所述导电组分为石墨粉、活性炭、导电陶瓷中的一种或几种的混合物。4.根据权利要求1所述的多功能三维电极材料，其特征在于：所述光催化组分为TiO2、SnO2、Co3O4、V2O5中的一种或几种的混合物；所述稀土元素组分为镧、钕、镨、铈氧化物中的一种或几种的混合物；所述过渡金属催化组分为Fe2O3、MnO2、Al2O3、CuO中的一种或几种的混合物。5.根据权利要求1至4任一项所述的多功能三维电极材料，其特征在于：所述多功能三维电极材料的制备步骤如下：按照比例称取导电组分、复合催化组分及粘合剂组分，充分搅拌至完全混合均匀，加入水后利用造粒机造粒成均匀的5-10mm的球体，将材料置于高温管式炉内，在流动的氮气气氛的保护下，高温焙烧2-8h，同时完全除去水分，即得多功能三维电极材料。6.利用如权利要求1至5任一项所述的多功能三维电极材料的反应器，其特征在于：所述反应器包括直流电源、出水口、曝气机、石墨阳极、三维电极材料、双极膜、石墨阴极、进水口、...

【专利技术属性】
技术研发人员：李桂菊，马万瑶，李弘涛，郝林林，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：天津,12