基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料的制备方法及其在降解水中有机污染物中的应用技术

本发明专利技术公开了一种基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料的制备方法及其在降解水中有机污染物中的应用，属于电芬顿阴极材料的制备及电芬顿水处理技术领域。本发明专利技术的技术方案要点为：将聚苯胺通过电化学沉积负载到纯碳毡上，再负载铁颗粒得到铁碳掺杂的多孔复合碳纤维材料，将此碳毡作为阴极材料应用于电芬顿水处理装置中并曝入空气，便可在阴极处催化产生羟基自由基，进而降解水中的有机污染物。本发明专利技术充分发挥了碳纤维比表面积大的特点，具有处理效率高、绿色环保等优点，能在工业印染废水和地下水处理领域产生经济效益和社会效益。

Preparation of Electrofenton Cathode Material Based on Carbon Felt Supported Iron Nanoparticles and Its Application in Degradation of Organic Pollutants in Water

The invention discloses a preparation method of electrofenton cathode material based on carbon felt loaded iron nanoparticles and its application in degrading organic pollutants in water, belonging to the preparation of electrofenton cathode material and the technical field of electrofenton water treatment. The main points of the technical scheme of the invention are as follows: polyaniline is electrochemically deposited on pure carbon felt, then iron particles are loaded to obtain iron-carbon doped porous composite carbon fiber material, and the carbon felt is applied as cathode material in the electro-Fenton water treatment device and aerated, then hydroxyl radicals can be generated at the cathode and organic pollutants in water can be degraded. The invention takes full advantage of the characteristics of large specific surface area of carbon fibers, has the advantages of high treatment efficiency, green environmental protection, and can produce economic and social benefits in the field of industrial printing and dyeing wastewater and groundwater treatment.

【技术实现步骤摘要】
基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料的制备方法及其在降解水中有机污染物中的应用
本专利技术属于电芬顿阴极材料的制备及电芬顿水处理
，具体涉及一种基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料的制备方法及其在降解水中有机污染物中的应用。
技术介绍
近年来，我国主要江河湖泊均不同程度地受到有机物的污染，主要受污染地区为长江中下游地区、黄河流域、珠江三角洲以及松花江流域。根据我国多年监测结果提出的水中优先控制污染物达68种，其中有毒有机污染物就有58种，我国水污染主要以有机物污染为主。其中持久性有机污染物对环境生态的危害性极大，难以降解，污染源广。其中，印染厂排放大量含有高浓度染料废水，成分复杂，难以利用传统的物理化学方法进行降解处理。同时以有机污染为主的土壤污染也逐渐引起广泛关注。有机污染物种类较多，对环境生态以及人类健康存在较大影响，对可持续发展具有一定的阻碍作用。目前，我国处理工业废水、生活污水以及土壤污染水域的方式较为单一，可选择性不强，难以广泛利用，成本较高，耗时耗力，净化效果不佳。随着科技的发展，高级氧化(AOP)技术在水污染处理中越来越受到业内的青睐，其具有能源效率高、自动化程度高和操作环境温和安全等特点，被认为是用于处理成分复杂的有机废水的最佳选择之一。电芬顿技术主要依赖于金属离子催化生成双氧水进而产生羟基自由基从而达到氧化有机污染物的目的。电芬顿技术在降解有机物方面尤为出色，其在降解率和去污率方面都表现出了良好的性能，克服了传统芬顿中会产生大量沉积污泥和需要连续加入过氧化氢的缺点。电芬顿反应体系区别于以其它芬顿反应为基础的水处理工艺最主要的一点是，电芬顿反应可以电解产生过氧化氢，避免了生产过氧化氢的成本与风险，另外二价铁离子在阴极还原过程中连续再生，确保了降解的持续性。在电芬顿反应过程中，少量的亚铁离子可以增强过氧化氢的活性，从而更有效地产生三价铁离子和羟基自由基。从多方面来看，电芬顿技术在环境电化学领域中应用前景广阔。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是提供了一种工艺简单且成本低廉的基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料的制备方法，该方法制得的基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料作为电极，在pH适宜的条件下，通入空气使氧气在活性碳毡表面还原成过氧化氢，所得过氧化氢进一步催化产生大量羟基自由基，进而氧化降解水中的有机污染物。本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：步骤S1：将碳纤维材料分别用去离子水和乙醇超声浸泡20～40min，再经过清洗、干燥后备用；步骤S2：由苯胺、浓盐酸和去离子水混合配制盐酸苯胺溶液备用，由七水合硫酸亚铁和去离子水配制硫酸亚铁溶液备用；步骤S3：设置电沉积装置，该电沉积装置中的电极包括阳极、阴极和参比电极，其中阳极连接电化学工作站的正极，阴极连接电化学工作站的负极，参比电极为AgCl电极，配制的盐酸苯胺溶液作为沉积液，设置电化学工作站的电压为0.8V，通过恒电压的方法进行电沉积，电沉积反应1～2h后得到负载聚苯胺的沉积电极，再将沉积电极浸泡在配制的硫酸亚铁溶液中12～24h得到负载聚苯胺和铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料；步骤S4：将负载聚苯胺和铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料置于管式炉内，在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升温至600～900℃煅烧1～2h制得目标产物碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料。优选的，步骤S1中所述碳纤维材料的规格为3cm*9cm*0.5cm～5cm*12cm*1cm。优选的，步骤S2中所述盐酸苯胺溶液中苯胺、浓盐酸和去离子水的质量比为9:16:75，硫酸亚铁溶液的摩尔浓度为0.08～0.12mol/L。优选的，步骤S4中煅烧温度为700℃。本专利技术所述的基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料在降解水中有机污染物中的应用，其特征在于具体过程为：在电芬顿体系中，将上述制得的基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料作为阴极连接电化学工作站的工作电极，普通碳毡电极连接电化学工作站的对电极，并在电解液中加入七水合硫酸亚铁颗粒，其中电解液为4～400mmol/L的硫酸钠溶液，七水合硫酸亚铁在电解液中的浓度为0.1mmol/L，设置电化学工作站的电流为50～130mA，通过恒电流的方式进行电解，电解时间为60～150min，开启磁力搅拌，调节溶液体系的pH＝1～10、温度10～50℃，氧气在活性碳纤维表面还原生成过氧化氢，所得过氧化氢进一步催化产生大量羟基自由基，进而氧化降解水中的有机污染物，经反应后的电极经去离子水冲洗、烘干即可重复循环使用。优选的，电解液为40mmol/L的硫酸钠溶液，设置电化学工作站的电流为110mA，调节溶液体系的pH＝2～3。优选的，所述有机污染物为甲基橙、刚果红或罗丹明B。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：1、本专利技术充分发挥了碳毡比表面积大的特点，具有处理效率高、绿色环保等优点，能够在工业印染废水和地下水处理领域产生经济效益和社会效益；2、本专利技术所使用的试剂和电极材料价格低廉且容易获得，在电解过程中所消耗的双氧水在通入空气的条件下自动再生，保证了污染物的持续降解，与传统芬顿法相比无需外源加入任何氧化剂；3、本专利技术制得的基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料使用过经清洗后能够重复循环使用，并且仍然保持较高的降解效率。附图说明图1是基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料的制备方法及其水处理应用的技术路线图；图2是实施例1制得基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料的扫描电镜图；图3是实施例1制得基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料的透射电镜图；图4是实施例1制得基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料作为阴极在不同条件下对甲基橙的降解效果图；图5是实施例1制得基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料作为阴极的循环使用效果图。具体实施方式以下通过实施例对本专利技术的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本专利技术上述内容实现的技术均属于本专利技术的范围。实施例1基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料的制备：(1)预处理：选取规格为3cm*9cm*0.5cm的碳纤维材料，分别用去离子水和乙醇超声浸泡30min，再经过清洗、干燥后备用；(2)制备盐酸苯胺溶液和硫酸亚铁溶液：盐酸苯胺溶液是由苯胺、浓盐酸和去离子水混合配制而成，其质量比例为9:16:75，再进行磁力搅拌30min；硫酸亚铁溶液是由七水和硫酸亚铁和去离子水配制而成的，摩尔浓度为0.1mol/L；(3)设置电沉积装置，该电沉积装置中的电极包括阳极、阴极和参比电极，其中阳极连接电化学工作站的正极，阴极连接电化学工作站的负极，参比电极为AgCl电极，配制的盐酸苯胺溶液作为沉积液，设置电化学工作站的电压为0.8V，通过恒电压的方法进行电沉积，电沉积反应2h后得到负载聚苯胺的沉积电极，再将沉积电极浸泡在配制的硫酸亚铁溶液中18h得到负载聚苯胺和铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料；(4)沉积电极的烧制：将负载聚苯胺和铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料置于管式炉内，在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升温至600～900℃煅烧1h制得碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料。图2和图3分别是上述制得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：步骤S1：将碳纤维材料分别用去离子水和乙醇超声浸泡20～40min，再经过清洗、干燥后备用；步骤S2：由苯胺、浓盐酸和去离子水混合配制盐酸苯胺溶液备用，由七水合硫酸亚铁和去离子水配制硫酸亚铁溶液备用；步骤S3：设置电沉积装置，该电沉积装置中的电极包括阳极、阴极和参比电极，其中阳极连接电化学工作站的正极，阴极连接电化学工作站的负极，参比电极为AgCl电极，配制的盐酸苯胺溶液作为沉积液，设置电化学工作站的电压为0.8V，通过恒电压的方法进行电沉积，电沉积反应1～2h后得到负载聚苯胺的沉积电极，再将沉积电极浸泡在配制的硫酸亚铁溶液中12～24h得到负载聚苯胺和铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料；步骤S4：将负载聚苯胺和铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料置于管式炉内，在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升温至600～900℃煅烧1～2h制得目标产物碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料。

【技术特征摘要】
1.基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：步骤S1：将碳纤维材料分别用去离子水和乙醇超声浸泡20～40min，再经过清洗、干燥后备用；步骤S2：由苯胺、浓盐酸和去离子水混合配制盐酸苯胺溶液备用，由七水合硫酸亚铁和去离子水配制硫酸亚铁溶液备用；步骤S3：设置电沉积装置，该电沉积装置中的电极包括阳极、阴极和参比电极，其中阳极连接电化学工作站的正极，阴极连接电化学工作站的负极，参比电极为AgCl电极，配制的盐酸苯胺溶液作为沉积液，设置电化学工作站的电压为0.8V，通过恒电压的方法进行电沉积，电沉积反应1～2h后得到负载聚苯胺的沉积电极，再将沉积电极浸泡在配制的硫酸亚铁溶液中12～24h得到负载聚苯胺和铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料；步骤S4：将负载聚苯胺和铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料置于管式炉内，在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升温至600～900℃煅烧1～2h制得目标产物碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料。2.根据权利要求1所述的基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述碳纤维材料的规格为3cm*9cm*0.5cm～5cm*12cm*1cm。3.根据权利要求1所述的基于碳毡负载铁纳米颗粒的电芬顿阴极材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中所述盐酸苯胺溶液中苯胺、浓盐酸和去离...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴西林，周维露，伍日昕，王浩，陈建荣，王方园，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33