一种石墨毡/多孔碳辊压电极材料及其制备方法和在射流式反应器中的应用技术

本发明专利技术一种石墨毡/多孔碳辊压电极材料及其制备方法和在射流式反应器中的应用，方法先将水、乙醇和聚四氟乙烯乳浊液分散均匀，再将石墨毡浸入其中，将金属网状物贴合在饱胀后石墨毡的一个表面，最后将其在330～380℃下煅烧得到透气层；将多孔碳、炭黑、聚四氟乙烯乳浊液和乙醇分散均匀，再搅拌至粘稠状得到催化层；再将催化层辊压到透气层上使其与金属网状物贴合，退火处理后冷却得到石墨毡/多孔碳辊压电极材料。射流式反应器中文丘里管扩散段与气液混合管通过螺纹密封连接，反应槽的连接段沿其径向设置有导线安装孔，气液混合管与连接段通过螺纹密封连接，将该材料作为阴极固定在气液混合管的上端且将催化层朝上。

A graphite felt / porous carbon roller electrode material and its preparation method and application in jet reactor

【技术实现步骤摘要】
一种石墨毡/多孔碳辊压电极材料及其制备方法和在射流式反应器中的应用
本专利技术属于电催化电极材料的
，具体为一种石墨毡/多孔碳辊压电极材料及其制备方法和在射流式反应器中的应用。
技术介绍
近年来，随着现代技术的发展，水环境受到越来越多的外来污染，例如工业废水、有机化学原料和药物滥用。高浓度的有机污染物对人类健康和水环境的威胁难以估计，然而一些传统工艺，例如活性污泥，膜处理和碳吸附都不是有效的或经济的。在电化学高级氧化工艺(简写为EAOPs)中，电芬顿(简写为EF)是最著名的EAOP之一，通过间接电化学方式产生强大的羟基自由基(即·OH)，可有效降解难降解有机污染物，因此电芬顿工艺是一种现代新型、高效和清洁的有机废水处理技术。从理论上讲，过氧化氢(H2O2)的产生受到特殊阴极材料和装置的限制，这被认为是提高H2O2产量和电芬顿效果的最重要因素。射流式反应器，由于具有便捷的曝气方式而作为电芬顿技术体系中高产H2O2的装置类型之一，但其H2O2的产率同时也受制于电极组成材料。阴极组成材料在电芬顿工艺中被认为是提高H2O2产量和增加阴极在降解污染物过程效果的最大因素。由于射流式反应器的特殊结构，需要电极存在透气层与催化层，一方面，聚四氟乙烯(PTFE)与石墨毡的结合具有独特的防水透气性能，再结合钢丝网与多孔碳材料，能良好保证这种反应器高效的独立运行。另一方面，多孔碳材料由于比表面积大，拥有丰富的微孔和介孔结构，在电催化过程中能提供非常多的电催化活性位点，便捷的物质扩散途径，促进氧分子发生氧还原反应，达到高产H2O2的效果。因此，开发一种能运用于射流式反应器的多孔碳电极材料具有更好的优势。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种石墨毡/多孔碳辊压电极材料及其制备方法和在射流式反应器中的应用，操作简单、适用性广、具有工业应用价值，便于推广应用。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种石墨毡/多孔碳辊压电极材料的制备方法，包括以下步骤，步骤1，先将超纯水或去离子水，乙醇和聚四氟乙烯乳浊液超声分散均匀得到混合体系A，再将石墨毡浸入在混合体系A中，得到饱胀后的石墨毡，之后将金属网状物贴合在饱胀后的石墨毡的一个表面，得到贴合有石墨毡的金属网状物，最后将贴合有石墨毡的金属网状物在330～380℃下煅烧后，得到初步改性的辊压电极材料透气层；先将多孔碳、炭黑、聚四氟乙烯乳浊液和乙醇组成的混合体系超声分散均匀得到混合体系B，再将混合体系B搅拌至粘稠状，得到初步改性的辊压电极材料催化层；步骤2，将初步改性的辊压电极材料催化层辊压到初步改性的辊压电极材料透气层上，使初步改性的辊压电极材料催化层与金属网状物贴合，得到初步改性的辊压电极材料；步骤3，将初步改性的辊压电极材料进行退火处理，之后冷却至室温得到石墨毡/多孔碳辊压电极材料。优选的，步骤1中，聚四氟乙烯乳浊液的固含量为50％～60％，混合体系A中超纯水或去离子水，乙醇和聚四氟乙烯乳浊液的体积之比为(1～3)：(1～3)：(0.1～0.3)。优选的，步骤1中，混合体系B中多孔碳的质量、炭黑的质量和乙醇的体积之比为(4～12)mg：(10～30)mg：(1～3)ml。优选的，步骤1中，贴合有石墨毡的金属网状物在所述温度下煅烧1-2h。优选的，步骤3中，初步改性的辊压电极材料在330～380℃下退火1～2h。优选的，步骤1中，所述的多孔碳按如下方式得到，步骤1a，在超纯水或去离子水中加入Zn(NO3)2·6H2O和2-甲基咪唑反应18～24h后，离心洗涤反应产物得到多孔碳的前驱体，其中Zn(NO3)2·6H2O和2-甲基咪唑的质量浓度之比为74.4:(114.03～159.64)；步骤1b，将多孔碳的前驱体进行真空干燥，之后在惰性气体或N2的保护下在908～1100℃下煅烧碳化5～7h，得到多孔碳。一种由上述任意一项所述的石墨毡/多孔碳辊压电极材料的制备方法得到的石墨毡/多孔碳辊压电极材料。上述石墨毡/多孔碳辊压电极材料在射流式反应器中的应用，所述的射流式反应器在垂直方向，自下而上依次包括文丘里管、圆柱形的气液混合管和反应槽；文丘里管入口段用于连接水源，文丘里管的喉道连接有进气管，文丘里管扩散段的上端设置有外螺纹，气液混合管的下端设置有内螺纹，文丘里管扩散段的上端与气液混合管的下端通过螺纹固定密封连接，气液混合管连接有出水管；所述的反应槽用于存放电解液，反应槽包括连接段和反应槽主体，气液混合管的上端设置有外螺纹，连接段沿其径向设置有导线安装孔，连接段设置有内螺纹，气液混合管的上端与连接段通过螺纹固定密封连接；先将石墨毡和金属网状物均裁剪成与气液混合管内径相同大小的圆形，再按上述石墨毡/多孔碳辊压电极材料的制备方法得到石墨毡/多孔碳辊压电极材料，最后将该辊压电极材料作为阴极，固定在气液混合管的上端且将该辊压电极材料的催化层朝上设置。进一步，所述的石墨毡/多孔碳辊压电极材料在进行产过氧化氢时，2h后H2O2产量为792mg/L。进一步，所述的石墨毡/多孔碳辊压电极材料在去除有机污染物时，10min后罗丹明B的脱色率为100％。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术一种石墨毡/多孔碳辊压电极材料的制备方法，先将石墨毡浸入在超纯水或去离子水、乙醇和聚四氟乙烯乳浊液的混合体系中，可使石墨毡饱胀，再将金属网状物贴合在饱胀后的石墨毡的一个表面，这样石墨毡与PTFE乳浊液结合煅烧后得到初步改性的辊压电极材料透气层，聚四氟乙烯与石墨毡的结合具有独特的防水透气性能，通过将多孔碳、炭黑、作为粘合剂的PTFE和溶剂乙醇组成的混合体系超声分散均匀后搅拌至粘稠状辊压到初步改性的辊压电极材料透气层上，进行退火处理，之后冷却至室温得到石墨毡/多孔碳辊压电极材料，该材料的整个透气层透气不透水，配合金属网状物的硬度、石墨毡的通气性、多孔碳的导电性和整体支撑力，使得石墨毡/多孔碳辊压电极材料的催化层在固、液、气三相界面发生氧还原反应(简写为ORR)，能大量提升H2O2产量，石墨毡/多孔碳辊压电极材料可通过射流式反应器进行高产过氧化氢，这具有重要的意义。进一步的，通过Zn(NO3)2·6H2O和2-甲基咪唑的化合反应制备多孔碳的前驱体，经过真空干燥和煅烧碳化得到的多孔碳，能提高多孔碳的比表面积、丰富其微孔结构与介孔结构、具有更好的电催化活性。本专利技术的石墨毡/多孔碳辊压电极材料在射流式反应器中进行应用，该射流式反应器通过文丘里原理射流曝气，改变了现有电芬顿过程中的曝气方式，无需增加额外电耗曝气与磁力搅拌，减少能耗，另一方面射流曝气产生更多更微小的气泡可以使氧还原反应更加的便利，较以往曝气方法达到高产H2O2的效果，由此生成更多的羟基自由基，提升了H2O2的产量，并能有效氧化去除有机污染物，具有高稳定性、水力冲刷强度，能延长石墨毡/多孔碳辊压电极材料在该射流式反应器中的寿命。附图说明图1为所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨毡/多孔碳辊压电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，/n步骤1，先将超纯水或去离子水，乙醇和聚四氟乙烯乳浊液超声分散均匀得到混合体系A，再将石墨毡浸入在混合体系A中，得到饱胀后的石墨毡，之后将金属网状物贴合在饱胀后的石墨毡的一个表面，得到贴合有石墨毡的金属网状物，最后将贴合有石墨毡的金属网状物在330～380℃下煅烧后，得到初步改性的辊压电极材料透气层；/n先将多孔碳、炭黑、聚四氟乙烯乳浊液和乙醇组成的混合体系超声分散均匀得到混合体系B，再将混合体系B搅拌至粘稠状，得到初步改性的辊压电极材料催化层；/n步骤2，将初步改性的辊压电极材料催化层辊压到初步改性的辊压电极材料透气层上，使初步改性的辊压电极材料催化层与金属网状物贴合，得到初步改性的辊压电极材料；/n步骤3，将初步改性的辊压电极材料进行退火处理，之后冷却至室温得到石墨毡/多孔碳辊压电极材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨毡/多孔碳辊压电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1，先将超纯水或去离子水，乙醇和聚四氟乙烯乳浊液超声分散均匀得到混合体系A，再将石墨毡浸入在混合体系A中，得到饱胀后的石墨毡，之后将金属网状物贴合在饱胀后的石墨毡的一个表面，得到贴合有石墨毡的金属网状物，最后将贴合有石墨毡的金属网状物在330～380℃下煅烧后，得到初步改性的辊压电极材料透气层；
先将多孔碳、炭黑、聚四氟乙烯乳浊液和乙醇组成的混合体系超声分散均匀得到混合体系B，再将混合体系B搅拌至粘稠状，得到初步改性的辊压电极材料催化层；
步骤2，将初步改性的辊压电极材料催化层辊压到初步改性的辊压电极材料透气层上，使初步改性的辊压电极材料催化层与金属网状物贴合，得到初步改性的辊压电极材料；
步骤3，将初步改性的辊压电极材料进行退火处理，之后冷却至室温得到石墨毡/多孔碳辊压电极材料。


2.根据权利要求1所述的一种石墨毡/多孔碳辊压电极材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，聚四氟乙烯乳浊液的固含量为50％～60％，混合体系A中超纯水或去离子水，乙醇和聚四氟乙烯乳浊液的体积之比为(1～3)：(1～3)：(0.1～0.3)。


3.根据权利要求1所述的一种石墨毡/多孔碳辊压电极材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，混合体系B中多孔碳的质量、炭黑的质量和乙醇的体积之比为(4～12)mg：(10～30)mg：(1～3)ml。


4.根据权利要求1所述的一种石墨毡/多孔碳辊压电极材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，贴合有石墨毡的金属网状物在所述温度下煅烧1-2h。


5.根据权利要求1所述的一种石墨毡/多孔碳辊压电极材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，初步改性的辊压电极材料在330～380℃下退火1～2h。


6.根据权利要求1所述的一种石墨毡/多孔碳辊压电极材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的多孔碳按如下方式得到，
步骤1a，在超纯水或去离子水中加入Zn(NO...

【专利技术属性】
技术研发人员：余方可，马宏瑞，曹天轶，王丽娜，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61