本发明专利技术公开了一种金属还原‑电芬顿体系，利用充电后的电容器的自放电过程驱动芬顿体系中的金属离子还原，并有效促进金属催化剂的循环，避免了现有电化学法受废水导电性制约等问题；将构建的金属还原‑电芬顿体系应用于处理模拟废水，表现出较高的效果效率和循环稳定性，且涉及的废水处理流程简单，操作简便、能耗低、环境友好，具有重要的应用前景。
A Metal Reduction-Electro-Fenton System and Its Application
The invention discloses a metal reduction and electric Fenton system, which drives the reduction of metal ions in the Fenton system by the self-discharge process of the charged capacitor, effectively promotes the circulation of metal catalysts, avoids the problems such as the existing electrochemical method being restricted by the conductivity of wastewater, and applies the constructed metal reduction and electric Fenton system to the treatment of simulated wastewater, showing a high effect. Efficiency and cycle stability, and the wastewater treatment process involved is simple, easy to operate, low energy consumption, environment friendly, and has important application prospects.
【技术实现步骤摘要】
一种金属还原-电芬顿体系及其应用
本专利技术属于污水处理
，具体涉及一种金属还原-电芬顿体系及其应用。
技术介绍
近年来，随着人口的急剧增长、工业和农业的高速发展以及生活水平和生活质量的不断提高，人类对化学物质的需求量日益增大；而在应用过程中工业废水和生活废水以及残余农药通过地表径流排入水体，导致水体中有机污染物的种类和浓度呈现逐年上升的趋势。由于废水中的有机污染物化学结构稳定、毒性大，传统的物化法、化学法和生物法及其相关组合方法，均难以达到令人满意的处理效果。芬顿氧化法是通过Fe(Ⅱ)或Fe(Ⅲ)与H2O2反应，生成具有强氧化性的羟基自由基，无选择性地降解有机污染物的一种高效技术。Fenton氧化法具有设备简单、反应条件温和、反应速率快以及污染物去除彻底等优点，特别是在处理高毒性的持久性有机污染物时表现出较好的效果，因此受到了研究者的广泛关注。虽然Fenton氧化法已经有一百多年的历史，但是在工业应用中仍然存在着一些缺点：1)如Fe(Ⅱ)和H2O2之间的反应速率非常快，通常反应半分钟后，Fe(Ⅱ)基本完全被氧化为Fe(Ⅲ)；2)生成的Fe(Ⅲ)与H2O2的反应很慢，而且Fe(Ⅲ)易沉淀，导致铁循环困难，H2O2的利用率低。为了解决Fe(Ⅲ)循环难的问题，光还原、电还原以及抗坏血酸、羟胺等还原剂等方式被用于Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)循环。其中电还原技术以电子作为清洁试剂，不易造成二次污染、反应设备简单便于自动化管理等优势而受到研究者广泛关注；然而，在导电性较差的废水中，需额外添加电解质，易对水体造成二次污染问题。若不添加电解质，则会引起电极极化，从而发生电解水等一系列副反应，该过程不仅降低电流效率还会减少电极使用寿命。因此，在实际水处理中很大程度的限制其实际应用。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种金属还原-电芬顿体系，以充电后的电容器作为阴极，构建金属还原-电芬顿体系，避免电化学法受废水导电性制约等问题，以及现有污水电化学处理工艺外加电解质造成的二次污染问题，对有机污染物表现出优异的处理效率。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种金属还原-电芬顿体系，采用单电极体系，利用充电后的电容器的自放电过程驱动芬顿体系中的高价金属离子还原成低价金属离子，形成电芬顿体系。上述方案中，所述电芬顿体系包括充电后的电容器、催化剂和氧化剂。上述方案中，所述电容器的充电量为0.01-1000mC。优选的，所述石墨板电容器的充电量为100-1000mC。上述方案中，所述电容器采用的阴极为碳类电极；可兼顾稳定的充电性能和电化学氧化性能，有利于构建金属还原-电芬顿体系，并表现出优异的催化降解性能。优选的，所述碳类电极可选用石墨纸、石墨板、石墨烯、碳纳米管、乙炔黑、导电黑、生物炭等中的一种或几种；所述金属氧化物类电极可选用氧化钌、氧化铱、氧化锰、氧化镍、氧化钛、氧化锌、氧化铜、氧化铝、氧化钒、氧化铬、氧化铅、氧化钡、氧化钙、氧化铁、氧化镁、氧化钴等中的一种或几种；所述金属氧化物/碳复合电极由金属氧化物和碳材料按(0.01～100):1的质量比混合而成，其中金属氧化物为氧化钌、氧化铱、氧化锰、氧化镍、氧化钛、氧化锌、氧化铜、氧化铝、氧化钒、氧化铬、氧化铅、氧化钡、氧化钙、氧化铁、氧化镁、氧化钴等中的一种或几种，碳材料为石墨纸、石墨板、石墨烯、碳纳米管、乙炔黑、导电黑、生物炭等中的一种或几种。上述一种金属还原-电芬顿体系在处理有机废水领域中的应用，具体步骤包括：将充电后的石墨板电容器置于废水反应器中，然后加入催化剂和氧化剂，形成反应液，并在室温和搅拌条件下进行反应，实现有机废水中有机污染物的降解。上述方案中，所述催化剂为高价过渡金属离子或其对应的氧化物，氧化剂为过氧化物。上述方案中，所述高价过渡金属离子可选用铁离子、铜离子、锰离子、钴离子或镍离子等。上述方案中，所述过氧化物可选用过氧化氢、过一硫酸盐或过二硫酸盐等。上述方案中，所述反应液中催化剂的浓度为0.01-1.0mM；反应液中氧化剂的浓度为0.01-2.0mM。优选的，所述催化剂的浓度范围为0.2-1.0mM，氧化物的浓度范围为0.5-2.0mM。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1)本专利技术首次提出采用电化学单电极体系，构建金属还原-电芬顿体系，以单独电容器电极在溶液中自放电过程驱动金属离子还原，并有效促进金属催化剂高效循环，可有效避免现有电化学法受废水导电性限制，以及现有污水电化学处理工艺外加电解质造成的二次污染问题，对于难降解、毒性高的有机废水同样具有很好的去除效果，适用性广。2)将本专利技术构建的金属还原-电芬顿体系应用于处理邻苯二甲酸二甲酯(DMP)模拟废水，可表现出较高的效果效率和循环稳定性，且涉及的废水处理流程简单，操作简便、环境友好，可为高效有机废水处理技术提供一条全新思路。附图说明图1为实施例中构建石墨板电容器在不同充电时间下对应的计时电位分析谱及其电容量对比图。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。以下实施例中，采用的石墨板电容器的构建和充电方法包括如下步骤：以10.0×4.0×0.1cm的钛钌板为阳极，2.0×4.0×0.1cm的石墨板为阴极，以1.0M的Na2SO4溶液为电解质，直流电源作为提供电源，构建石墨板电容器充电装置，采用恒电流模式，在不同充电时间下，得到不同充电量的石墨板电容器，采用计时电位分析法(Chronopotentiometry)对充电后的电容器进行测定(结果见图1)，结果表明：以恒电流密度为-6.25mA/cm2进行充电，以0.125mA/cm2电流密度进行放电，在充电时间在0-30s范围内，所得石墨板电容器的放电时间与充电时间成正比，其中充电30s时，其储存电量为152.3mC；充电时间从30s增至60s时，其储存电量增至163.8mC。实施例1可行性研究一种金属还原-电芬顿体系，它包括充电后的石墨板电容器(阴极)、催化剂(硫酸铁)和氧化剂(H2O2)，其中石墨板电容器的充电电流密度为-6.25mA/cm2，充电时间为30s，充电量为152.3mC。将本实施例构建的金属还原-电芬顿体系应用于DMP模拟废水处理，具体步骤包括：将过氧化氢和硫酸铁加入DMP模拟废水中，然后将充电后的石墨电容器放入废水中形成反应液，其中DMP的初始浓度[DMP]0为0.1mM，H2O2的初始浓度[H2O2]0为1.0mM，铁离子的初始浓度[Fe3+]0为0.5mM，DMP模拟废水体积为60mL；然后在20±1℃的温度条件下反应，进行DMP的催化降解。将本实施例形成的金属还原-电芬顿体系分别与未充电石墨板电容器、充电后放电的石墨板电容器形成的催化降解体系对比，具体测试结果见表1。表1电容器充放电对DMP处理效果的影响反应时间/min未充电体系对DMP的去除率/％充电后放电体系对DMP的去除率/％充电体系对DMP的去除率/％00.000.000.0015.236.7212.992.57.968.9629.65511.4815.4844.771021.0525.0567.261533.2236.2284.902045.4547.4595.01上述结本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种金属还原‑电芬顿体系，其特征在于，采用单电极体系，利用充电后的电容器的自放电过程驱动芬顿体系中的金属离子还原，形成金属还原‑电芬顿体系。
【技术特征摘要】
1.一种金属还原-电芬顿体系，其特征在于，采用单电极体系，利用充电后的电容器的自放电过程驱动芬顿体系中的金属离子还原，形成金属还原-电芬顿体系。2.根据权利要求1所述的金属还原-电芬顿体系，其特征在于，所述电容器的充电量为0.01-1000mC。3.根据权利要求1所述的金属还原-电芬顿体系，其特征在于，所述电容器的充电量为150-1000mC。4.根据权利要求1所述的金属还原-电芬顿体系，其特征在于，所述电容器中采用的阴极为碳类电极、金属氧化物类电极或金属氧化物/碳复合电极。5.根据权利要求4所述的金属还原-电芬顿体系，其特征在于，所述碳类电极选用的材料为石墨纸、石墨板、石墨烯、碳纳米管、乙炔黑、导电黑、生物炭中的一种或几种。6.根据权利要求4所述的金属还原-电芬顿体系，其特征在于，所述金属氧化物类电极选用的材料为氧...
【专利技术属性】
技术研发人员：张晖，任伟，袁学宏，熊亮亮，余紫薇，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42
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