一种生物协同电催化反应器中催化床层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种生物协同电催化反应器的催化床层的制备方法包括以下步骤：采用高温合成法，将铜纳米颗粒负载于具有较大比表面积的ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种生物协同电催化反应器中催化床层的制备方法


[0001]本专利技术涉及环保设备开发、催化材料制备领域，具体涉及一种生物协同电催化反应器的催化床层的制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，雾霾问题日益受到公众关注，解决由氮氧化物(NO
x
)持续增长所引起的大气污染问题迫在眉睫。由于烟气中的NO
x
90％以上均是溶解度极小的NO(NO在水中的溶解度仅为4.7％)，所以络合吸收
‑
生物还原法被学者们提出，此方法是采用亚铁络合物(以下简称L
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FeⅡ)作为吸收剂，将烟气中的气态NO转换为液态L
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FeⅡ‑
NO，再利用微生物将L
‑
FeⅡ‑
NO还原成L
‑
FeⅡ与无污染的N2的过程，即保证了吸收剂的再生，又实现了NO
x
的脱除。电极生物膜法是在此方法的基础上耦合了电化学效应，进一步强化了NO
x
的脱除过程。但烟气中较高的氧气浓度(≥9％)可将L
‑
FeⅡ氧化成不具有络合NO能力的三价铁络合物(以下简称L
‑
FeⅢ)，因此对于NO的脱除过程，首先要选育还原L
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Fe
III
的高效菌株，即反应器内存在还原L
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FeⅡ‑
NO和L
‑
Fe
III
的两种还原菌。前期研究表明，氨氮均为这两类微生物生长的最佳氮源，氮源的缺乏将直接影响NO
x
处理效果，且直接补充氮源所需成本较高，因此对于电极生物膜反应器，如何提高微生物活性进而提高NO
x
处理效率一直是亟待解决的问题。针对上述问题，开发和设计一种利用现有资源，将目标污染物部分转化为反应系统有效运行的驱动物质，从而实现减少投资、运行管理方便的反应器具有重要现实意义。中国专利公告号CN201634549U公开了一种再生氮氧化物络合吸收剂的三维电极生物膜反应器，该专利利用阴极导电颗粒表面的混合菌膜，通过电促微生物作用，同时还原氮氧化物络合吸收产物中的EDTA
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FeⅡ‑
NO和EDTA
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FeⅢ得到EDTA
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FeⅡ，实现络合吸收剂的再生，而且能耗小，结构简单。尽管该反应器绿色高效，但由于微生物驯化困难且成本较大，限制了其在实际中的推广应用。
[0003]类沸石咪唑酯骨架化合物(ZIFs)属于MOFs材料中常见的一种，具有较大比表面积和较高的化学稳定性，且孔径均匀，在吸附/分离、生物医药及环境治理方面应用广泛。铜纳米颗粒作为催化剂存在易氧化、易团聚等缺点，将其负载在具有大比表面积的有机骨架上可提高其性能，利用ZIFs材料优异的性能，可以将铜纳米颗粒负载ZIF
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8上，应用在环境污染治理领域。现阶段研究发现，将金属纳米颗粒负载在ZIF
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8上，所得复合材料在电催化作用下具有一定的还原作用。所以在此基础上，我们将该材料应用于NO
x
治理领域，通过电催化作用将反应系统输入的NO
x
还原为微生物生长易被利用的氨氮(NH
4+
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N)，从而实现目标污染物部分转化为反应系统有效运行的驱动物质，可大大节约反应器运行成本，为NO
x
资源化提供一条新途径。

技术实现思路

[0004]为提高氮氧化物处理效率，本专利技术提供了一种生物协同电催化反应器的催化床层的制备方法，具体技术方案如下：
[0005]一种生物协同电催化反应器的催化床层的制备方法，生物协同电催化反应器包括反应器外壳、支撑套筒、催化床层，所述反应器外壳中间设有支撑套筒，支撑套筒内为阳极区，支撑套筒与反应器外壳之间为阴极区，所述催化床层与支撑套筒内壁连接，所述阳极区内设有一正电极，阴极区内设有围绕正电极均匀分布且串联的负电极，阴极区内填充有导电粒子，导电粒子上附着有参与还原的微生物，可调式直流稳压电源通过导线分别与正电极和负电极相连，流量计分别与反应器主体的上侧壁管口和蠕动泵相连，蠕动泵的另一端连接反应器主体的下侧壁管口；
[0006]包括以下步骤：
[0007]S1:采用高温合成法，将铜纳米颗粒负载于具有较大比表面积的ZIF
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8上，从而合成Cu/ZIF
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8纳米复合材料，并在不小于500℃条件下高温煅烧进一步得到基于ZIF
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8骨架的CuNCS纳米复合材料前驱体；
[0008]S2:将S1所述的CuNCS纳米复合材料前驱体加入有机醇溶液，超声波分散2
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4h后，在其中放置导电或不导电负载材质，在不小于500℃条件下高温煅烧2h，得到负载型CuNCS纳米复合材料；
[0009]S3:将负载型CuNCS纳米复合材料制成圆柱形，即形成催化床层并与支撑套筒内壁采用交联成型方式连接。
[0010]优选地，所述S2中的导电负载材质为导电塑料或碳纤维毡，所述不导电负载材质为聚四氟乙烯网、陶瓷、玻璃或不锈钢。
[0011]优选地，所述S3中交联成型方式如下：
[0012]所述支撑套筒上布满交替布置的有机玻璃针状体，所述的针状体与负载型CuNCS纳米复合材料相嵌合，嵌合孔洞交错布置且排布均匀，可保证反应器内液体均匀流动，支撑套筒—针状体—Cu/ZIF
‑
8粉末于500℃条件下加热稳定化2h后，得到CuNCS纳米复合材料，将CuNCS纳米复合材料与5wt％萘酚混合并在超声波下分散，取聚四氟乙烯网在分散液中浸渍24
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30h，取出，自然晾干，即交联成型CuNCS纳米复合材料负载的三维聚四氟乙烯网。
[0013]本专利技术的有益效果是：催化床层具有较高的化学稳定性，比表面积大且孔径均匀，在电化学作用下具有良好的还原性能，可以将L
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FeⅡ‑
NO直接还原成L
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FeⅡ和氨，即保证了络合吸收剂的再生，又脱除了NO，还为微生物提供了氮源，极大节约了反应器的运行成本。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1是本专利技术的反应器整体结构示意图；
[0016]图2是本专利技术的催化床层的结构示意图；
[0017]图3是本专利技术的催化床层的俯视图；
[0018]图4是本专利技术CuNCS纳米复合材料表征图。
具体实施方式
[0019]下面详细描述本专利技术的实施例，下面的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。
[0020]如图1所示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物协同电催化反应器的催化床层的制备方法，生物协同电催化反应器包括反应器外壳、支撑套筒、催化床层，所述反应器外壳中间设有支撑套筒，支撑套筒内为阳极区，支撑套筒与反应器外壳之间为阴极区，所述催化床层与支撑套筒内壁连接，所述阳极区内设有一正电极，阴极区内设有围绕正电极均匀分布且串联的负电极，阴极区内填充有导电粒子，导电粒子上附着有参与还原的微生物，可调式直流稳压电源通过导线分别与正电极和负电极相连，流量计分别与反应器主体的上侧壁管口和蠕动泵相连，蠕动泵的另一端连接反应器主体的下侧壁管口；其特征在于，包括以下步骤：S1:采用高温合成法，将铜纳米颗粒负载于具有较大比表面积的ZIF
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8上，从而合成Cu/ZIF
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8纳米复合材料，并在不小于500℃条件下高温煅烧进一步得到基于ZIF
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8骨架的CuNCS纳米复合材料前驱体；S2:将S1所述的CuNCS纳米复合材料前驱体加入有机醇溶液，超声波分散2
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4h后，在其中放置导电或不导电负载材质...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘楠，秦笑梅，吕佳林，田俊峰，刘从彬，马闯，赵继红，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：