一种Mn/Fe@PC改性阴极、制备方法及通过电芬顿原位耦合电催化脱盐的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种Mn/Fe@PC改性阴极、制备方法及通过电芬顿原位耦合电催化脱盐的装置和方法，属于沿海工业用水处理领域。该装置包括电源、阴极、发生阴极反应的阴极室以及靠近阴极室的阳离子交换膜；阳极、发生阳极反应的阳极室以及靠近阳极室的阴离子交换膜；脱盐室，位于阴离子交换膜和阳离子交换之间，其中，所述阴极电极材料为Mn/Fe@PC改性阴极，将多孔碳负载锰铁复合催化剂Mn/Fe@PC纳米颗粒负载在钛网上，利用电芬顿技术原位利用阴极产生的H2O2生成

【技术实现步骤摘要】
一种Mn/Fe@PC改性阴极、制备方法及通过电芬顿原位耦合电催化脱盐的装置和方法


[0001]本专利技术属于沿海工业用水处理领域，更具体地说，涉及一种Mn/Fe@PC改性阴极、制备方法及通过电芬顿原位耦合电催化脱盐的装置和方法。

技术介绍

[0002]我国沿海地区工业密布，用水紧张。海水淡化和有机污水的深度处理与回用是解决沿海地区用水紧张的两条重要途径。当前，海水淡化与有机污水处理往往是在不同场景下单独进行。海水淡化技术如反渗透、多级闪蒸、多效蒸发等存在高压力、高能耗、浓缩卤水难以处理等问题；有机污水处理技术如生物法存在污水成分复杂导致可生化性差，处理能耗高等问题。将两者分开进行处理面临着建厂和运行成本高、水处理效果差、卤水难以处理等问题。
[0003]为解决沿海地区有机污水与海水处理难题，中国专利2022216721062公开了一种电渗析海水脱盐协同电催化降解有机污水并产H2O2装置，该装置包括接通直流电源的铂片阳极和炭黑气体扩散阴极以及两电极间的阴阳离子交换膜对，在外电压驱动下，阴阳离子交换膜对构成的脱盐室中的氯离子迁移进阳极室，钠离子迁移进阴极室，实现脱盐；铂片阳极通过析氯反应产生次氯酸降解有机污水；炭黑气体扩散阴极电催化还原氧气生成H2O2。此外，论文Enhanced degradation of triclosan in heterogeneous E
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Fenton process with MOF
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derived hierarchical Mn/Fe@PC modified cathode【DOI:10.1016/j.cej.2019.123324】虽然公开了Mn/Fe@PC用于电极制备中，但其采用聚四氟乙烯为粘结剂将Mn/Fe@PC纳米颗粒负载于炭纸表面上，这样做一方面会降低Mn/Fe@PC的催化活性和电极运行稳定性，另一方面在实际应用过程中需要进行曝气处理才能有效生成H2O2，从而产生电芬顿反应降解有机物。

技术实现思路

[0004]1.要解决的问题
[0005]针对现有电催化脱盐装置生成的H2O2氧化能力不高、易分解难以贮存运输的问题，本专利技术提供一种Mn/Fe@PC改性阴极及其制备方法，制得的Mn/Fe@PC改性阴极催化活性高。
[0006]本专利技术还公开了包含上述Mn/Fe@PC改性阴极的装置，将其用于电催化脱盐原位耦合电芬顿技术中，可通过利用电芬顿技术原位利用阴极产生的H2O2生成
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OH，提高有机负荷去除能力。
[0007]2.技术方案
[0008]为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0009]一种电催化脱盐装置原位耦合电芬顿技术提高有机负荷去除的装置，包括电源、阴极、发生阴极反应的阴极室以及靠近阴极室的阳离子交换膜；阳极、发生阳极反应的阳极室以及靠近阳极室的阴离子交换膜；脱盐室，位于阴离子交换膜和阳离子交换之间。
[0010]所述阴极为Mn/Fe@PC改性阴极，所述Mn/Fe@PC改性阴极是由多孔碳负载锰铁复合催化剂Mn/Fe@PC纳米颗粒与炭黑掺杂后经辊压负载在钛丝网上所得。
[0011]所述多孔碳负载锰铁复合催化剂Mn/Fe@PC纳米颗粒的制备方法如下，其具体包括以下步骤：
[0012]步骤S1、混合：将摩尔比为2:1:3:3的铁源、锰源、碳源、助剂溶解在溶剂中，搅拌均匀，得混合物；其中，所述铁源为FeCl3·
6H2O，还可采用Fe2(SO4)3或Fe(NO3)3；所述锰源为Mn(CH3COO)2·
4H2O；所述碳源为H2BDC(对苯二甲酸)；所述助剂为HNO3试剂，还可采用H2SO4或HCl；所述溶剂为二甲基甲酰胺，还可采用二甲亚砜(DMSO)或甲基丙烯酸甲酯(MMA)；所述铁源、锰源、碳源、助剂的摩尔比为2:1:3:3，搅拌时间为60
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120min。
[0013]步骤S2、反应：将步骤S1所得混合物在聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中高温高压反应；其中，反应温度为100
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150℃，反应时间为8
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12h，得反应产物；
[0014]步骤S3、洗涤、干燥：自然冷却后，用乙醇和去离子水洗涤步骤S2所得反应产物数次，然后干燥，得干燥粉末；其中，干燥气氛为厌氧气氛，所述厌氧气氛为真空或惰性气氛，如N2、Ar、He，为防止Mn和Fe被氧化，生成Mn和Fe的氧化物，干燥温度为50
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70℃，干燥时间为4
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6h，得干燥粉末；
[0015]步骤S4、炭化：将步骤S3所得干燥粉末在厌氧气氛下炭化，制得的多孔碳负载锰铁复合催化剂为Mn/Fe@PC纳米颗粒。其中，所述厌氧气氛为真空或惰性气氛，如N2、Ar、He，炭化温度为600
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800℃，炭化时间为2
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3h，加热速率为5
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10℃/min。
[0016]所述阳极为铂片电极，也可采用其他电极，如钛电极、二氧化铅电极、钛涂钌铱电极等析氯电极。
[0017]进一步地，所述阴离子交换膜和阳离子交换膜成对设置构成电渗析膜，所述电渗析膜的数量为一组或多组，多组离子交换膜成对堆叠而成，根据盐度负荷进行匹配。
[0018]利用上述多孔碳负载锰铁复合催化剂Mn/Fe@PC纳米颗粒制备Mn/Fe@PC改性阴极，其具体步骤包括：
[0019]步骤S1、制备扩散层：称取炭黑，向炭黑中加入造孔剂、溶剂和粘合剂，分散均匀，加热至糊状后利用锟压机将糊状材料与钛网压合；其中，所述造孔剂为聚乙二醇，还可使用聚维酮或聚乙烯吡咯烷酮，造孔剂的加入量为炭黑的10wt％
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20wt％；所述溶剂为乙醇，还可使用丙酮或甲醇，乙醇的加入量为炭黑的30wt％；所述粘合剂为聚四氟乙烯(PTFE)，还可使用聚乙烯醇或羧甲基纤维素，粘合剂与炭黑的质量比为1:(1
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3)；所述炭黑的加入量按照其在钛网上的负载量为20
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50mg/cm2进行称取；加热温度为70
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100℃。
[0020]步骤S2、制备催化层：分别称取炭黑和导电石墨粉(CGP)，再称取Mn/Fe@PC纳米颗粒并掺杂进炭黑和导电石墨粉的混合粉末(TC)中，加入造孔剂、溶剂和粘合剂，分散均匀，加热至糊状后利用锟压机将糊状材料与钛网压合；其中，炭黑的称取量为45
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80mg/cm2，CGP的称取量为15
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30mg/cm2，Mn/Fe@PC的称取量为10
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40mg/cm2，所述炭黑：导电石墨粉：Mn/Fe@PC纳米颗粒的质量比为9：3：(2
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8)；所述造孔剂为聚乙二醇，还可使用聚维酮或聚乙烯吡咯烷酮，造孔剂的加入量为混合粉末的10
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20wt％；所述溶剂为乙醇，还可使用丙酮或甲醇，溶剂的加入量为混合粉末的30wt％；所述粘合剂为聚四氟乙烯(P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Mn/Fe@PC改性阴极，其特征在于，所述Mn/Fe@PC改性阴极包括基底、扩散层和催化层，所述扩散层和催化层分别位于基底两侧，所述催化层包含Mn/Fe@PC纳米颗粒。2.根据权利要求1所述一种Mn/Fe@PC改性阴极，其特征在于，所述基底为钛网，所述扩散层的材质为炭黑。3.根据权利要求2所述一种Mn/Fe@PC改性阴极，其特征在于，所述Mn/Fe@PC纳米颗粒的制备方法如下，其具体包括以下步骤：步骤S1、混合：将一定比例的铁源、锰源、碳源和助剂溶解在溶剂中，得混合物；步骤S2、反应：将步骤S1所得混合物高温高压反应一段时间，得反应产物；步骤S3、洗涤、干燥：将步骤S2所得反应产物洗涤、干燥，得干燥粉末；步骤S4、炭化：将步骤S3所得干燥粉末炭化，制得Mn/Fe@PC纳米颗粒。4.根据权利要求3所述一种Mn/Fe@PC改性阴极，其特征在于，步骤S1中，所述铁源、锰源、碳源、助剂的摩尔比为2:1:3:3，搅拌时间为60
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120min；步骤S2中，反应温度为100
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150℃，反应时间为8
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12h；步骤S3中，干燥气氛为真空或惰性气氛；步骤S4中，炭化气氛为真空或惰性气氛，炭化温度为600
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800℃，炭化时间为2
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3h，加热速率为5
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10℃/min。5.一种制备权利要求1
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4任一项所述Mn/Fe@PC改性阴极的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、制备扩散层：称取炭黑，向炭黑中加入造孔剂和溶剂，再加入粘合剂，分散均匀后加热至糊状，之后将糊状材料与基底压合；步骤S2、制备催化层：称取一定比例的炭黑和导电石墨粉，将Mn/Fe@PC纳米颗粒掺杂进炭黑和导电石墨粉的混合粉末中，向其中添加造孔剂和溶剂，再加入粘合剂，分散均匀后加热至糊状，将糊状材料与基底压合；步骤S3、煅烧。6.根据权利要求5所述一种Mn/Fe@PC改性阴极的制备方法，其特征在于，所述造孔剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚维酮和聚乙二醇中的一种或多种，所述溶剂选自乙醇、丙酮或甲醇中的一种或以上，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：田海龙，黄先锋，李玉宝，赵敏，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：