本实用新型专利技术公开一种生物碳基纳米铁耦合自清洁三维电极。该电极包括供铁生物碳基纳米铁耦合阳极与自由基氧化生物碳基纳米铁耦合阴极，组合三维电极的结构优势，充分发挥生物碳基纳米铁与正负电流的结合优势，高效将电能转化为化学能用以污染物断键降解。本实用新型专利技术是基于阳极直接氧化、间接氧化与阴极自由基氧化原理，特点如下：生物碳基纳米铁能将电解液中有机污染物吸附集中在阴阳两极表面形成限域降解从而成倍提高电化学降解效率；通过阴阳两极分别原位生成的过氧化氢与二价铁持续生成氧化性自由基高效氧化污染物而达到自清洁效果；通过增强阳极氧化克服碱性条件零效率障碍，高效处理高浓度有机废水。高效处理高浓度有机废水。高效处理高浓度有机废水。
【技术实现步骤摘要】
一种生物碳基纳米铁耦合自清洁三维电极
[0001]本技术涉及一种高浓度有机废液的高效处理电极，具体涉及一种生物碳基纳米铁耦合自清洁三维电极。
技术介绍
[0002]生物碳基环境友好材料的制备是目前最有前景且应用最广泛的废物回收利用技术。生物碳基材料是通过固体废弃物无氧热解后进一步改性得到的环境友好型材料，虽然其优越的吸附性能已经得到多方面验证，但其氧化还原特性与电化学性能却容易被科学领域所忽视。优越的电导性使得生物碳基材料足以充当电化学反应器的电极，另外，生物碳基材料表面密布有多种催化活性官能团，在增强化学吸附的同时可以利用其氧化还原特性进行多相催化，反向推动电化学反应的进程，最终高效地降解有机污染物。
[0003]生物碳基纳米铁耦合自清洁三维电极集合了生物碳基材料与纳米零价铁材料的优势。零价纳米铁具有较强的还原性，另外其特有的表面效应和小尺寸效应（纳米级），从而同时具有优越的吸附性。金属铁的导电性也为生物碳基纳米铁的电极应用增光添彩。更重要的是零价纳米铁具有出色的脱氯性能，由于化合物支链上的氯原子是该化合物生物毒性的重要来源，所以这一性能对有机氯化物脱毒具有重大意义。
[0004]生物碳基纳米铁耦合自清洁三维电极在电化学反应器降解高浓度有机废水的过程中意义重大。首先，生物碳基纳米铁耦合自清洁三维电极的强吸附性使得废水中的持久性有机污染物形成电极趋向运动，并将其稳定吸附在阴阳两极表面形成限域降解，可以成倍提高对阳极氧化与阴极自由基氧化效果的利用效率；其次，在阴极电子输入作用下，生物碳基纳米铁阴极表面上付着的气泵输入的氧气发生二电子反应被高效还原为过氧化氢，加上阳极上生物碳基纳米铁失去电子生成的二价铁离子，两者形成催化反应，在溶液中尤其是阴极周边形成大量氧化性自由基，由于氧化性自由基的寿命极短，恰好利用生物碳基纳米铁的吸附性将持久性有机污染物吸附在阴极表面，成倍提高了阴极自由基氧化的效率；再次，生物碳基纳米铁阳极同样将持久性有机污染物集中于表面，利用阳极强氧化性使其失去电子，直接断键降解，另外阳极间接氧化作用可以将水氧化为过氧化氢，利用二价铁离子过氧化氢活化为氧化性自由基，同样地，强力的吸附作用形成的限域降解可以成倍地增加降解效果；更重要的是，因为阳极氧化作用不受有机废水pH的限制，生物碳基纳米铁增强的阳极氧化作用可以克服传统反应系统碱性条件下零降解效率的问题，从而大大扩展了电化学自由基氧化的pH适用范围，解决了工程上的重大难题。
[0005]目前大部分的三维电极电化学处理高浓度有机废水是利用昂贵的改性电极，基于自由基氧化原理，利用强氧化性羟基自由基对目标有机污染物氧化降解而设计的装置。例如：中国专利（专利号为：CN106966465A）三维电极构筑电化学处理高浓度有机废水，是利用羟基自由基氧化技术去除污水中的有机污染物，达到污水处理与净化的目的，但事实并不能如所述克服电该系统在碱性条件下极低的处理效率，且该电极改性较为昂贵，达到污水处理市场普及并不容易。另外，中国专利（专利号为：CN 103553188 A），是一种基于电催化
粒子电极材料处理高浓度有机废水的方法，虽然可以通过阳极氧化等作用对有机废水中部分有机污染物达到去除效果，但因为根本上忽略了阴极产生氧化性自由基在系统中的作用，使得缺少了阴极在电化学体系中的所能扮演的重要角色，降解效率折半；且电极改性过程极为复杂，难以做到广泛使用。尽管大部分电化学处理高浓度有机废水的电极都通过各种方式提升其有机污染物处理效率，但都没有做到简单实用。
[0006]开发一种结构简单、能广泛性使用、成本低廉、便于拆卸组装、维护难度低、能源清洁的电化学处理高浓度有机废水的电极，是迫切需要解决的首要问题。本技术是基于阳极直接氧化、间接氧化与阴极自由基氧化原理，特点如下：生物碳基纳米铁能将电解液中有机污染物吸附集中在阴阳两极表面形成限域降解从而成倍提高电化学降解效率；阴阳两极分别原位生成的过氧化氢与二价铁持续生成氧化性自由基高效氧化污染物；通过增强阳极氧化克服碱性条件零效率障碍，高效处理高浓度有机废水；纳米铁高效脱氯有效降低污染物毒性；实现零添加高效处理高浓度有机废液。
技术实现思路
[0007]本技术的主要目的在于提供一种高浓度有机废液的高效处理电极，其次要目的在于提供一种用于电化学处理高浓度有机废水的生物碳基纳米铁耦合自清洁三维电极及其使用方法与应用。
[0008]本技术是基于羟基自由基氧化原理设计，特点如下：1、生物碳基纳米铁能将电解液中有机污染物吸附集中在阴阳两极表面形成限域降解从而成倍提高电化学降解效率；2、通过阴阳两极原位生成的过氧化氢与二价铁持续反应生成氧化性自由基高效氧化污染物而达到自清洁效果；3、通过增强阳极氧化克服碱性条件零效率障碍，高效处理高浓度有机废水；4、纳米铁高效脱氯有效降低污染物毒性；实现零添加高效处理高浓度有机废液。
[0009]本技术的技术方案如下。
[0010]一种生物碳基纳米铁耦合自清洁三维电极，包括供铁生物碳纳米铁耦合阳极部分与自由基氧化生物碳基纳米铁耦合阴极部分；
[0011]所述供铁生物碳纳米铁耦合阳极部分由内向外依次包括钌钛合金内芯、阳极生物碳基纳米铁耦合填料、阳极碳纤维石墨毡限域层与阳极耐腐蚀有机玻璃骨架层；其中钌钛合金内芯中钌钛质量比为0.08~0.14：1；
[0012]所述自由基氧化生物碳基纳米铁耦合阴极部分的最外层为阴极耐腐蚀有机玻璃骨架层，在阴极耐腐蚀有机玻璃骨架层内部自下向上依次包括镍基均匀电流网、疏水碳纤维隔水层、阴极生物碳基纳米铁耦合填料覆盖层、阴极碳纤维石墨毡限域层，本技术中的阳极碳纤维石墨毡限域层与阴极碳纤维石墨毡限域层电极是对电极做框定防止相关吸附剂进入反应溶液，以提升反应效率，本技术中电极有强吸附作用，将水中的污染物都吸附后能在电极表面上发生反应。此外限域层的存在，还避免了传统电极中大量使用黏附剂的缺陷。
[0013]进一步地，配套电极辅助电化学反应器包括：导线、电源、化学反应中央罐体部分、气泵、下层气室部分、上层排气加料罐体部分、有机废液进水口、处理后废液排出口、气室漏液排出口、气泵充气口与辅助排气加料口；所述配套电极辅助电化学反应器罐体内部设置有供铁生物碳纳米铁耦合阳极部分与自由基氧化生物碳基纳米铁耦合阴极部分，从上到下
分别将配套电极辅助电化学反应器罐体分隔为上层排气加料罐体部分、化学反应中央罐体部分和下层气室部分；所述配套电极辅助电化学反应器罐体的上层为排气加料罐体部分，且所述辅助排气加料口设置于上层排气加料罐体部分内部且与铁生物碳纳米铁耦合阳极部分连接；所述铁生物碳纳米铁耦合阳极部分通过导线与电源的正极连接，所述自由基氧化生物碳基纳米铁耦合阴极部分通过导线与电源的负极连接；所述上层排气加料罐体部分上下分别为喇叭状结构；所述化学反应中央罐体部分侧侧壁面开设有有机废液进水口和处理后废液排出口，所述下层气室部分侧面开设有气室漏液排出口和气泵充气口，所述气泵充气口与气泵连接。
[0014]进一步地，阴极本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种生物碳基纳米铁耦合自清洁三维电极，其特征在于，包括供铁生物碳纳米铁耦合阳极部分（1）与自由基氧化生物碳基纳米铁耦合阴极部分（2）；所述供铁生物碳纳米铁耦合阳极部分（1）由内向外依次包括钌钛合金内芯（3）、阳极生物碳基纳米铁耦合填料（4）、阳极碳纤维石墨毡限域层（5）与阳极耐腐蚀有机玻璃骨架层（6）；其中钌钛合金内芯（3）中钌钛质量比为0.08~0.14：1；所述自由基氧化生物碳基纳米铁耦合阴极部分（2）的最外层为阴极耐腐蚀有机玻璃骨架层（12），在阴极耐腐蚀有机玻璃骨架层（12）内部自下向上依次包括镍基均匀电流网（8）、疏水碳纤维隔水层（9）、阴极生物碳基纳米铁耦合填料覆盖层（10）、阴极碳纤维石墨毡限域层（11）。2.根据权利要求1所述一种生物碳基纳米铁耦合自清洁三维电极，其特征在于，配套电极辅助电化学反应器包括：导线（7）、电源（13）、化学反应中央罐体部分（14）、气泵（15）、下层气室部分（16）、上层排气加料罐体部分（17）、有机废液进水口（18）、处理后废液排出口（19）、气室漏液排出口（20）、气泵充气口（21）与辅助排气加料口（22）；所述配套电极辅助电化学反应器罐体内部设置有供铁生物碳纳米铁耦合阳极部分（1）与自由基氧化生物碳基纳米铁耦合阴极部分（2），从上到下分别将配套电极辅助电化学反应器罐体分隔为上层排气加料罐体部分（17）、化学反应中央罐体部分（14）和下层气室部分（16）；所述配套电极辅助电化学反应器罐体的上层为排气加料罐体部分（17），且所述辅助排气加料口（22）设置于上层排气加料罐体部分（17）内部且与铁生物碳纳米铁...
【专利技术属性】
技术研发人员：利锋，张超，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：
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