一种微生物电芬顿燃料电池用改性碳刷阴极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于水处理工艺技术领域，具体涉及一种微生物电芬顿燃料电池用改性碳刷阴极材料及其制备方法和应用。本发明专利技术依次经过热活化和H2O2改性制备得到用于微生物电芬顿燃料电池的改性碳刷阴极材料并用于微生物电芬顿燃料电池中，经试验证明，不仅对抗生素盐酸环丙沙星具有较高的降解率，而且还能用于降解甲基橙等有机染料。因此，本发明专利技术所述改性碳刷阴极材料及微生物燃料电池

【技术实现步骤摘要】
一种微生物电芬顿燃料电池用改性碳刷阴极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于水处理工艺
，具体涉及一种微生物电芬顿燃料电池用改性碳刷阴极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，大量难降解有机污染物和药物残留进入环境水体中，造成了严重的水污染问题。作为使用最为广泛的药物，抗生素的大量使用（每年大概使用10万到20万吨）造成水体中抗生素残留的不断升高，不仅会对水域及陆地生态系统造成持续污染，而且还会影响饮用水的供应，威胁人类健康。
[0003]环丙沙星（CIP）是一种合成的第三代氟喹诺酮类抗生素，因其广谱抗菌活性和良好的口服吸收效果，因而被广泛用于人类细菌感染的治疗。由于环丙沙星（CIP）上羧基苯甲酸核具有较强的化学稳定性，所以大部分的CIP在体内不能被完全代谢，据统计，以人体摄入的CIP计，有高达70%的未代谢CIP排出体外，最终进入污水处理环节。
[0004]对于污水中环丙沙星等抗生素的去除，利用传统生物法进行处理，明显表现出去除能力不足的问题，这也导致经常在污水处理厂的地表水和二级出水中检测到CIP。如果对环丙沙星等抗生素去除不彻底或者仍有残留，即便在很微量浓度的情况下，CIP也可能引起抗生素耐药性的产生和传播，威胁人类健康。
[0005]因此，迫切需要开发有效的方法来处理含有CIP等多种抗生素的废水，以消除其对水环境潜在的不利影响。
[0006]目前，高级氧化工艺（AOPs）例如光催化、光芬顿、臭氧和电芬顿工艺等，作为一种有效的去除手段，被广泛应用于抗生素残留和其他难降解污染物的去除。 其中，E
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Fenton法（电芬顿法，Electro
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Fenton，EF）作为最常见的电化学高级氧化法（EAOP）之一，其高效的降解能力引起了人们的广泛关注。电芬顿系统是通过在阴极上电化学反应原位生成H2O2来避免外加H2O2，例如，公开号为CN109052578A的中国专利公开了一种改性电极的制备方法及其用于连续流生物电芬顿系统处理废水的方法，通过使用改性电极进行废水处理，提高了复合材料的导电性，以及系统的催化氧气电子还原能力，但是由于在实际应用时需要较高的能量输入，所以仍然存在降解效率不足，运行成本较高的问题。
[0007]微生物燃料电池（MFC）作为一种新研发的生物电化学系统，它是利用微生物来氧化有机物和无机物以产生电力，基于此，可以选用微生物燃料电池系统作为能量来源为电芬顿反应提供动力，从而实现不断原位产H2O2的同时，还能够有效降解抗生素等污染物。
[0008]但是，现有技术中，使用基于MFC的原位双室阴极电芬顿系统对抗生素进行降解的效果仍然表现不佳，与传统的电化学方法相比，还需要对使用的阴极电极材料进行改性来提高电芬顿系统对污染物的降解性能。

技术实现思路

[0009]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种改性碳刷阴极，具有催化活性优异、价格低廉等优点，且制备过程易于操作，较为安全和环保。
[0010]本专利技术又提供了上述改性碳刷阴极材料的制备方法。
[0011]本专利技术还将所述改性碳刷阴极应用于基于微生物燃料电池的电芬顿体系中，并以抗生素或者有机染料作为目标污染物，对目标污染物进行降解。
[0012]为了实现上述技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种微生物电芬顿燃料电池用改性碳刷阴极材料的制备方法，包括以下步骤：（1）对碳刷（CB）进行热活化预处理：将碳刷（CB）浸入纯丙酮中过夜（18
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24h），然后离心除去丙酮，再置于400
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500℃温度下煅烧30
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60分钟后完成预处理；（2）采用H2O2氧化法对CB进行改性处理：将预处理后的碳刷浸入的H2O2溶液中，水浴加热至60
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120℃并保持1
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3小时进行改性处理，处理后的碳刷用去离子水洗涤，然后真空干燥，即得。
[0013]具体的，步骤（2）中H2O2溶液的质量分数为10%，H2O2溶液的总体积为80
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100mL。
[0014]上述方法依次经过热活化和H2O2改性制备得到用于微生物电芬顿燃料电池的改性碳刷阴极材料。
[0015]进一步的，本专利技术还提供了所述改性碳刷阴极材料在微生物燃料电池
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电芬顿体系中的应用。
[0016]进一步的，本专利技术还提供了利用上述改性碳刷阴极材料制备得到的微生物电芬顿燃料电池。
[0017]具体的，所述微生物电芬顿燃料电池以上述改性碳刷阴极材料为阴极，避免了现有技术中采用无机金属催化剂为阴极容易造成金属浸出的问题，同时，采用双室微生物燃料电池提供生物电作为电芬顿体系的电力供应。
[0018]具体的，所述微生物电芬顿燃料电池能够产生0.6～0.7 V的生物电。
[0019]具体的，所述微生物电芬顿燃料电池为具有阴极室和阳极室的双室微生物燃料电池，制备时，将上述改性碳刷阴极材料作为电极置于微生物燃料电池阴极室中，阴极室电解液为浓度0.05 M的无水硫酸钠溶液，电解液的初始pH为3。
[0020]进一步的，本专利技术还提供了所述微生物电芬顿燃料电池在降解水体污染物中的应用。
[0021]具体的，所述水体污染物为抗生素或者有机染料。
[0022]优选的，所述抗生素为盐酸环丙沙星；所述有机染料为甲基橙。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的优势在于：本专利技术不采用金属催化剂作为微生物燃料电池
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电芬顿体系的阴极，能够克服现有技术中电芬顿体系中容易造成金属浸出的问题，避免了二次污染的固有缺点。
[0024]本专利技术的阴极材料合成工艺易于操作，不含粘合剂，且不含有毒化学物质，具有经济高效，安全且环保，利于推广的特点。
[0025]本专利技术将微生物燃料电池与电芬顿结合成一个体系，在降解含有盐酸环丙沙星等抗生素的废水，具有处理效果好，系统能耗低，操作简便的特点。
附图说明
[0026]图1为实施例1
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4不同的氧化温度（70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃）制备的改性碳刷阴极材料与对照组Original CB对盐酸环丙沙星（CIP，初始浓度40 mg/L）的降解效果图；图2为实施例1
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4不同的氧化温度（70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃）制备的改性碳刷阴极材料与对照组Original CB的拉曼光谱图；图3为实施例2制备的改性碳刷阴极材料在生物电芬顿体系中降解CIP的循环测试图；图4为实施例1
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4不同的氧化温度（70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃）制备的改性碳刷阴极材料与对照组Original CB对甲基橙（初始浓度40 mg/L）的降解效果图；图5为实施例2制备的改性得到的CB材料在微生物电芬顿燃料电池中降解不同初始pH盐酸环丙沙星（初始浓度40 mg/L）的性能试验图。
具体实施方式
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微生物电芬顿燃料电池用改性碳刷阴极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）对碳刷进行热活化预处理：将碳刷浸入纯丙酮中处理18
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24h，然后离心除去丙酮，再置于400
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500℃温度下煅烧30
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60分钟后完成预处理；（2）采用H2O2氧化法对CB进行改性处理：将预处理后的碳刷浸入的H2O2溶液中，加热至60
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120℃并保持1
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3小时进行改性处理，洗涤，干燥，即得。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中H2O2溶液的质量分数为10%，H2O2溶液的总体积为80
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100mL。3.采用权利要求1或2任一方法制备得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙剑辉，范梦鸽，李树勋，高露荧，任丽娜，孙楠，董淑英，张春燕，崔延瑞，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：