一种适用于电过臭氧化体系中石墨毡阴极的改性方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种适用于电过臭氧化体系中石墨毡阴极的改性方法及应用，过程有预处理除石墨毡表面杂质，在中性硫酸钠电解质中阳极氧化石墨毡，由此提高石墨毡的亲水性和表面含氧官能团含量，增加氧还原成过氧化氢的活性位点。进而在电过臭氧化体系中提升过氧化氢产量，加强草酸的去除能力。值得注意的是，虽然提高石墨毡表面含氧官能团含量会导致臭氧催化位点的增加，但在电过臭氧化体系中改性石墨毡由于受到了阴极电流的保护，极大的减免了臭氧对电极表面的腐蚀破坏，增强了电极的稳定性。因此，本发明专利技术改性电极的方法，不仅简单易操作、有机物去除能力强，还可以实现电极的持久使用。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于电过臭氧化体系中石墨毡阴极的改性方法及应用
本专利技术属于电化学改性材料和电过臭氧化水处理领域，具体涉及一种适用于电过臭氧化体系中石墨毡阴极的改性方法及应用。
技术介绍
随着各行各业的不断革新，21世纪的水资源面临着巨大的威胁，大量难以降解的有机污染物排入自然水体，使得水源水破坏问题日益严重。而水厂的常规处理难以将该类污染物去除，对人类的生命安全构成威胁，当前愈加严峻的水环境状况对于打赢“水环境保卫战”充满挑战。近些年来，为更加有效的去除水中难降解有机物，高级氧化(AOP)水处理方法受到广泛关注。臭氧是高级氧化中应用最广泛的方法，而单纯的臭氧工艺无法彻底矿化小分子有机物，如草酸等。公开号为CN102976451A(申请号为CN201210549472.3)中国专利申请公开了一种原位电产生H2O2协同O3氧化处理难降解废水的方法(亦称电过臭氧化法、EP)，由于其巧妙地利用制备O3排出的大量O2生成H2O2，进而与臭氧反应生成强氧化性的·OH降解污染物，如式1、2。该方法不仅避免了H2O2运输和储存中存在的危险，还可有效去除污染物，并且不含任何外添加物质，近年来迅速成为水处理领域研究的热点。O2+2H++2e-→H2O2(1)O3+H2O2→·OH+·O2-+O2(2)与电芬顿技术类似，阴极H2O2产量同样制约着电过臭氧化技术的效能及实际应用。专利申请CN102976451A采用自制的C-PTFE气体扩散阴极，可以在60min达到80％以上的TOC去除效果。但是制备C-PTFE过程复杂，暂时无法实现商业化生产，且材料的稳定性也有待考究。石墨毡作为一种价格低廉、商业化程度高、导电性好、稳定性强的材料，在电化学领域广受关注。但是由于其亲水性差，表面C元素含量高，导致其O2两电子还原成H2O2的效率低。多项研究表明，碳材料表面引入含氧官能团能提高碳基材料表面的润湿性，从而提高其导电性、电化学活性及催化活性。专申请CN109721135A以10％硫酸溶液为电解质阳极氧化石墨毡，可以显著提高石墨毡表面含氧官能团比例。但实际水体很难实现10％硫酸溶液作为电解液，因此改性条件仍需要改进。此外，若应用于含臭氧的水处理体系，必须考虑到臭氧的强氧化性。研究发现，碳基材料在臭氧的作用下会导致部分官能团发生改变，使得材料性能下降。而对于一些易被氧化的材料，阴极电流往往提供了一个保护的作用。基于此，本专利技术提出利用商业石墨毡作为原始阴极材料，并采用绿色环保的电化学氧化法提高其表面的氧含量，加强石墨毡材料的亲水性，并将其应用于电过臭氧化体系，一方面提高H2O2的产量、加强有机物的去除，另一方面也提升了改性石墨毡阴极的稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的问题，提供一种适用于电过臭氧化体系中石墨毡阴极的改性方法及应用，并应用于降解有机污染物，增加了电过臭氧化技术阴极材料的可选择性。本专利技术采用以下技术方案：一种适用于电过臭氧化体系中石墨毡阴极的改性方法，包括以下步骤：(1)将石墨毡清洗烘干后备用；(2)以步骤(1)中备用的石墨毡为阳极，铂片为阴极，以硫酸钠溶液作为电解质溶液，然后将两个电极浸入电解质溶液中，构成单室电解池；(3)设置直流稳压电源的电流为80～120mA，利用水浴装置调整反应温度为15～35℃，设定通电时间，使电极得到氧化。(4)步骤(3)结束后，清洗干燥后即得到改性的石墨毡电极。本专利技术方法，过程有预处理除石墨毡表面杂质，在中性硫酸钠电解质中阳极氧化石墨毡，由此提高石墨毡的亲水性和表面含氧官能团含量，增加氧还原成过氧化氢的活性位点。进而在电过臭氧化体系中提升过氧化氢产量，加强草酸的去除能力。值得注意的是，虽然提高石墨毡表面含氧官能团含量会导致臭氧催化位点的增加，但在电过臭氧化体系中改性石墨毡由于受到了阴极电流的保护，极大的减免了臭氧对电极表面的腐蚀破坏，增强了电极的稳定性。因此，本专利技术改性电极的方法，不仅简单易操作、有机物去除能力强，还可以实现电极的持久使用。步骤(1)中，石墨毡清洗烘干具体包括：将石墨毡放置于丙酮中超声清洗10～30min，去除表面油污及杂质，然后置于超纯水中超声清洗5～20min，再用超纯水冲洗数次，直至完全去除石墨毡中残留的丙酮，之后将冲洗干净的石墨毡材料置于50℃～70℃鼓风干燥箱18h～30h，之后取出备用。步骤(2)中，所述的硫酸钠溶液中硫酸钠的浓度为30～70mmol/L。步骤(2)中电解质溶液pH为6.5～7.5，两个电极间距为1～2cm。步骤(3)中，通电时间为2.5～20min，优选为2.5～10min。步骤(4)中，清洗干燥具体包括：用超纯水多次冲洗改性后的石墨毡材料，然后置于50℃～70℃鼓风干燥箱18h～30h。具体优选的，一种适用于电过臭氧化体系中石墨毡阴极的改性方法，包括以下步骤：(1)将裁剪为2×4×0.5cm的新鲜石墨毡放置于丙酮溶液中超声清洗20min，去除表面油污及杂质，然后置于超纯水中超声清洗10min，再用超纯水冲洗数次直至完全去除石墨毡中残留的丙酮，之后将冲洗干净的石墨毡材料置于60℃鼓风干燥箱24h，之后取出备用；(2)以步骤(1)中备用的石墨毡为阳极，2×4cm的铂片为阴极，以硫酸钠溶液(50mmol/L)为电解质溶液，并调节pH为7，然后将两个电极浸入电解质溶液中，构成单室电解池，两个电极间距为1.5cm。(3)利用直流稳压电源设置电流为100mA，调整水浴装置反应温度为25℃，通过控制不同的通电时间(最优选为5min)，即可制备得到不同程度改性的石墨毡电极。(4)步骤(3)结束后，用超纯水多次冲洗改性石墨毡电极，然后置于60℃鼓风干燥箱24h，即得到改性的石墨毡电极。上述方法可以得到在相同阴极电位下产生更多过氧化氢的石墨毡材料，且该方法过程不需要额外添加氧化性药品、不消耗昂贵材料、制备简单、氧化能力强，可以被大范围推广应用。所述改性石墨毡阴极用于电过臭氧化技术中产过氧化氢的应用：将适用于电过臭氧化体系的改性石墨毡分别作为电化学工作站的工作电极，铂片作为电化学工作站的对电极，银-氯化银电极作参比电极，设置工作电极电位为-0.65V，控制反应温度为25℃，通入纯氧，相比于未改性处理的石墨毡得到了更高的过氧化氢产量。所述的应用，具体包括：将适用于电过臭氧化体系的石墨毡电极材料作为阴极连接电化学工作站的工作电极，铂电极连接电化学工作站的对电极，银/氯化银电极连接电化学工作站的参比电极，以硫酸钠溶液作为电解液，调节溶液体系的pH＝6.5～7.5，并不断在溶液中通入氧气，设置气体流速为300～500mL/min；设置工作电压为-0.5V至-0.8V后，氧气在石墨毡表面发生两电子还原反应并生成H2O2。最优选的，将适用于电过臭氧化体系的改性石墨毡作为阴极连接电化学工作站的工作电极，铂电极连接电化学工作站的对电极，银/氯化银电极连接电化学工作站本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于电过臭氧化体系中石墨毡阴极的改性方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)将石墨毡清洗烘干后备用；/n(2)以步骤(1)中备用的石墨毡为阳极，铂片为阴极，以硫酸钠溶液作为电解质溶液，然后将两个电极浸入电解质溶液中，构成单室电解池；/n(3)设置直流稳压电源的电流为80～120mA，利用水浴装置调整反应温度为15～35℃，设定通电时间，使电极得到氧化。/n(4)步骤(3)结束后，清洗干燥后即得到改性的石墨毡电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于电过臭氧化体系中石墨毡阴极的改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将石墨毡清洗烘干后备用；
(2)以步骤(1)中备用的石墨毡为阳极，铂片为阴极，以硫酸钠溶液作为电解质溶液，然后将两个电极浸入电解质溶液中，构成单室电解池；
(3)设置直流稳压电源的电流为80～120mA，利用水浴装置调整反应温度为15～35℃，设定通电时间，使电极得到氧化。
(4)步骤(3)结束后，清洗干燥后即得到改性的石墨毡电极。


2.根据权利要求1所述的适用于电过臭氧化体系中石墨毡阴极的改性方法，其特征在于，步骤(1)中，石墨毡清洗烘干具体包括：
将石墨毡放置于丙酮中超声清洗10～30min，去除表面油污及杂质，然后置于超纯水中超声清洗5～20min，再用超纯水冲洗数次，直至完全去除石墨毡中残留的丙酮，之后将冲洗干净的石墨毡材料置于50℃～70℃鼓风干燥箱18h～30h，之后取出备用。


3.根据权利要求1所述的适用于电过臭氧化体系中石墨毡阴极的改性方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的硫酸钠溶液中硫酸钠的浓度为30～70mmol/L。


4.根据权利要求1所述的适用于电过臭氧化体系中石墨毡阴极的改性方法，其特征在于，步骤(2)中，电解质溶液pH为6.5～7.5，两个电极间距为1～2cm。


5.根据权利要求1所述的适用于电过臭氧化体系中石墨毡阴极的改性方法，其特征在于，步骤(3)中，通电时间为2.5～20min。


6.根据权利要求1所述的适用于电过臭氧化体...

【专利技术属性】
技术研发人员：张燕，董泽鲲，姚杰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33