一种基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极及其制备方法和应用，是通过水热法在基底电极表面原位生长二氧化钛纳米花后，再水热负载羟基，最后再在铁盐溶液中浸渍从而获得。本发明专利技术利用二氧化钛的配位效应增强铁位点共价性，从而增强铁位点对体系中氢氧根离子的抗干扰能力，使得阴极电芬顿反应可在宽pH下持续高效进行。续高效进行。续高效进行。

【技术实现步骤摘要】
一种基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于水处理
，具体涉及一种适用于降解抗生素废水的基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极的制备方法。

技术介绍

[0002]随着近年来化工、农业、医药等领域的发展，新兴有机污染物逐渐成为环境领域备受关注的热点。目前，高级氧化法(Advanced oxidation process简称AOP)常用于有机污染物的处理，其中，电芬顿法被认为是对水体中有机污染物降解的最有效的方法之一。其最显著的特征是通过阴极原位产生过氧化氢，再由Fe(II)和H2O2反应生成羟基自由基(
·
OH)，
·
OH能够将有机物降解。而
·
OH的持续生成，需要体系中的Fe(II)处于有效状态，溶解态的Fe
3+
可以轻易的在阴极还原成Fe
2+
，然而Fe
3+
在中性条件下极易转化成Fe(OH)3沉淀。Fe(OH)3沉淀难以被还原，阻碍了羟基自由基的持续生成。而持续向体系中补充酸虽然可抑制Fe(OH)3的生成，但是酸的加入不仅会腐蚀设备，而且处理后的废水在排放前还需要回调pH，生成危害性铁泥，显著增加废水处理的成本。
[0003]非均相催化剂是避免危害性铁泥生成的方法，但是目前大多数的非均相催化剂在实际运行过程中稳定性不佳、回收困难，需要反复投入。近年发展的阴极电芬顿是将芬顿催化剂负载到阴极，直接避免了催化剂的回收，同时避免了铁泥的生成。然而，常规阴极电芬顿催化剂如Fe2O3、Fe3O4、FeOOH在碱性条件下极易失活。因此构筑宽pH适用的阴极电芬顿催化剂具有重要的环境意义
[0004]表面的Fe位点是非均相Fenton催化的活性中心，事实上，与OH
‑
的强相互作用是由于表面Fe
‑
O
‑
Fe结构的高离子性导致Fe(II)再生受到抑制。为此，消除铁位点周围的离子性具有重要意义。值得注意的是，二氧化钛中的Ti(IV)比Fe(III)具有更高的电负性，这表明从Fe到O
‑
Ti结构的内部电子转移会增加Fe
‑
O的共价性。因此，TiO2表面的Fe
‑
O比Fe
‑
O
‑
Fe具有更高的稳定性和更低的离子性，可用于构筑高效的电芬顿阴极。同时，二氧化钛是一种经济、无毒、稳定的基底材料。由此说明表面掺铁二氧化钛有望构筑宽pH适用的阴极电芬顿催化剂，有宽广的应用前景。利用二氧化钛构筑阴极电芬顿催化剂以实现低成本高效污染物降解，鲜有报道。

技术实现思路

[0005]为避免上述现有技术所存在的不足，本专利技术提供一种基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极及其制备方法，以期可以防止铁泥的生成，同时解决传统催化剂pH适用窄的问题，实现低成本高效污染物降解；本专利技术还提供了一种绿色高效的铁改性二氧化钛催化剂的方法，同时提供了基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极在有机污染物降解中的应用。
[0006]为解决上述问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术首先提供了一种基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极，其特点在于：所述电芬顿阴极包括基底电极以及负载在基底电极上的掺铁二氧化钛。所述掺铁二氧化钛是引发电
芬顿反应的结构。
[0008]进一步地，所述基底电极为亲水性石墨板、活性碳纤维、碳毡和石墨毡电极中的一种。
[0009]进一步地，所述掺铁二氧化钛是通过水热法在基底电极表面原位生长二氧化钛纳米花后，再水热负载羟基，最后再在铁盐溶液中浸渍从而获得。所述掺铁二氧化钛仅由二氧化钛纳米花和表面掺杂铁构成，不包括基底电极。
[0010]作为一个总的技术构思，本专利技术还提供了上述基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极的制备方法，包括以下步骤：
[0011]S1、将基底电极浸没于浓硝酸溶液中，通过水浴加热搅拌进行表面活化，然后依次在超纯水、丙酮、超纯水中超声以脱除表面油脂及杂质，即获得表面活化的基底电极；
[0012]S2、将钛酸四丁酯、蒸馏水和浓盐酸混合并搅拌均匀，获得前驱体溶液；将表面活化的基底电极浸入前驱体溶液中，恒温水热反应；反应结束后，取出并洗涤、干燥、真空条件下退火，获得负载二氧化钛的基底电极；
[0013]S3、将负载二氧化钛的基底电极放入氢氧化钾溶液中，恒温水热反应；反应结束后，取出并洗涤，获得负载羟基的二氧化钛
‑
基底电极；将负载羟基的二氧化钛
‑
基底电极放入铁盐溶液中振荡；反应结束后，取出并洗涤，即制得基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极。
[0014]进一步的，步骤S1中，所述水浴加热搅拌的温度为50
‑
70℃、时间为3
‑
5h。
[0015]进一步的，步骤S2中，所述钛酸四丁酯、蒸馏水和浓盐酸的体积比为0.5
‑
1：10
‑
25：10
‑
25。
[0016]进一步的，步骤S2中，所述恒温水热反应的温度为120
‑
180℃、反应时间为4
‑
8h；所述真空条件下退火的温度为500
‑
600℃、退火时间为1
‑
3h。
[0017]进一步的，步骤S3中：所述氢氧化钾溶液的浓度为0.1
‑
0.4mol/L；所述恒温水热反应的温度为160
‑
200℃、反应时间为4
‑
12h；所述铁盐溶液是由FeSO4与水按质量比2
‑
10：50
‑
150构成；所述振荡的时间为2
‑
12h。
[0018]本专利技术的原理是：基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极可同时实现过氧化氢的生成和活化，反应中过氧化氢产生于阴极氧气的两电子还原过程，不需要向体系添加额外的过氧化氢，过氧化氢由二氧化钛产生，过氧化氢再迁移至表面铁分解产羟基自由基，阴极在该过程中提供电子，保证电芬顿反应持续进行。基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极中，掺铁二氧化钛的表面Fe与基底二氧化钛发生强相互作用，提升催化剂稳定性，同时利用配位效应增强铁位点共价性，增强了铁位点对体系中氢氧根离子的抗干扰能力，使得阴极电芬顿反应在宽pH下持续高效进行。
[0019]作为一个总的技术构思，本专利技术还提供了一种所述基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极在酸性到碱性条件下降解抗生素等新兴污染物的应用，其具体方法为：将所述基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极与阳极构成回路，外加40
‑
50mmol/L的支持电解质；反应前预先在反应器内以0.5L/min的速率通入压缩空气30分钟；在恒电流的酸性到碱性条件下(pH＝4.0
‑
10.0)矿化降解有机物。
[0020]进一步的：所述阳极材料为钛基底的钌铱涂层电极、掺硼金刚石电极和铂电极中的一种，所述支持电解质为硫酸钠、硫酸钾中的一种，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极，其特征在于：所述电芬顿阴极包括基底电极以及负载在基底电极上的掺铁二氧化钛。2.根据权利要求1所述的基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极，其特征在于：所述基底电极为亲水性石墨板、活性碳纤维、碳毡和石墨毡电极中的一种。3.根据权利要求1所述的基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极，其特征在于：所述掺铁二氧化钛是通过水热法在基底电极表面原位生长二氧化钛纳米花后，再水热负载羟基，最后再在铁盐溶液中浸渍从而获得。4.一种权利要求1～3中任意一项所述的基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将基底电极浸没于浓硝酸溶液中，通过水浴加热搅拌进行表面活化，然后依次在超纯水、丙酮、超纯水中超声以脱除表面油脂及杂质，即获得表面活化的基底电极；S2、将钛酸四丁酯、蒸馏水和浓盐酸混合并搅拌均匀，获得前驱体溶液；将表面活化的基底电极浸入前驱体溶液中，恒温水热反应；反应结束后，取出并洗涤、干燥、真空条件下退火，获得负载二氧化钛的基底电极；S3、将负载二氧化钛的基底电极放入氢氧化钾溶液中，恒温水热反应；反应结束后，取出并洗涤，获得负载羟基的二氧化钛
‑
基底电极；将负载羟基的二氧化钛
‑
基底电极放入铁盐溶液中振荡；反应结束后，取出并洗涤，即制得基于掺铁二氧化钛的电芬顿阴极。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述水浴加热搅拌的温度为50
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70℃、时间为3
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5h。6.根据权利要求4所述的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆杨，刘晓成，宋俊生，张坤晓，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：