一种膜电催化系统技术方案

本发明专利技术涉及一种膜电催化系统

【技术实现步骤摘要】
一种膜电催化系统、双氧化协同膜电催化系统以及基于其的水处理方法


[0001]本专利技术涉及电化学及水处理领域，特别涉及一种膜电催化系统、双氧化协同膜电催化系统以及基于其的水处理方法。

技术介绍

[0002]由于水资源短缺已经成为一个全球性问题，清洁饮水被联合国列为17个可持续发展目标之一。有效的污水处理和回用可以减少对水环境的污染，缓解水资源短缺的压力。近年来，药物和个人护理品广泛使用，并通过污水排放等途径不断进入水环境，对人体健康和生态安全造成了极大的威胁。一些诸如电化学高级氧化技术等新兴技术在处理这些污染物方面非常具有前景。电化学高级氧化技术是选用具有催化活性的电极材料，通过电场的作用，利用催化活性在电极上直接发生电化学反应或电极表面上产生的强氧化性活性物质氧化去除污水中难降解有机污染物的过程。
[0003]电化学高级氧化法的设备简单、控制灵活、处理效率高，但长期以来由于受到电极材料、构型等限制，电化学法降解难降解有机物的电流效率低、能耗高，使电化学技术的应用实现工业化受到限制。另外，电化学高级氧化法基本是传统的羟基自由基反应过程，比如专利文献1(CN106966465A)公开的三维电极构筑电化学系统，二价铁离子(Fe
2+
)和H2O2之间的链式反应催化生成
·
OH，利用
·
OH氧化分解水中的污染物，然而考虑到实际复杂废水很多情况下具有高的盐含量，氯离子等具有低的氧化还原电位的阴离子容易使得羟基自由基发生淬灭。因此，如何构建适合于污水深度处理、具有高的能量效率、强的阴离子抗干扰性能的电化学系统具有实际研究意义。

技术实现思路

[0004]专利技术要解决的问题
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种膜电催化系统，该方法具有良好的传质效率，同时以单线态氧为主的非自由基过程对水中的杂质，如阴离子表现出强的抗干扰性能，对药物等富电子物质具有很高的选择性，对污水中药物和个人护理品的去除具有潜在优势。
[0006]本专利技术的另一目的在于提供一种双氧化协同膜电催化系统，利用阴阳极协同反应不仅可以进一步提高能量效率，还能大幅提高单线态氧产量。
[0007]进一步地，本专利技术的另一目的还在于提供基于前述膜电催化系统或双氧化协同膜电催化系统的水处理方法。
[0008]用于解决问题的方案
[0009]通过专利技术人长期的研究，发现通过如下技术方案的实施能够解决上述技术问题：
[0010][1]一种膜电催化系统，其中，所述膜电催化系统的阳极为负载二氧化锡的碳纤维膜，所述负载二氧化锡的碳纤维膜是以含锡的金属有机骨架化合物为锡源，引入碳源，通过
成型或成型
‑
热处理制得。
[0011][2]根据[1]所述的膜电催化系统，其中，所述碳源选自聚合物、聚合物前驱体、糖类和无机碳源中的至少一种，进一步地所述聚合物选自聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚酯、聚酰胺等中的一种或多种，所述无机碳源选自石墨毡、碳毡、石墨纸、碳纸、碳布和石墨布中的一种或多种。
[0012][3]根据[1]或[2]所述的膜电催化系统，其中，所述锡源和所述碳源的质量比为(0.1～10):1。
[0013][4]根据[1]～[3]任一技术方案所述的膜电催化系统，其中，所述成型选自静电纺丝、气流纺、涂覆成膜、压片法、溶胶凝胶法中的一种。
[0014][5]根据[1]～[4]任一技术方案所述的膜电催化系统，其中，进一步地，所述热处理包括预氧化和碳化步骤。
[0015][6]根据[5]所述的膜电催化系统，其特征在于，所述碳化步骤的碳化温度为300～1300℃。
[0016][7]根据[1]～[6]任一技术方案所述的膜电催化系统，其特征在于，所述膜电催化系统的阴极选自掺杂过渡金属的碳纤维膜、不锈钢网、钛网、碳毡、石墨毡中的一种。
[0017][8]一种双氧化协同膜电催化系统，其中，包括阳极和阴极，阳极为负载二氧化锡的碳纤维膜，所述负载二氧化锡的碳纤维膜是以含锡的金属有机骨架化合物为锡源，引入碳源，通过成型或成型
‑
热处理制得，阴极为掺杂铁的碳纤维膜。
[0018][9]根据[8]所述的双氧化协同膜电催化系统，其中，所述掺杂铁的碳纤维膜是以铁盐为铁源，引入碳源，通过成型或成型
‑
热处理制得。
[0019][10]一种水处理方法，其中，所述水处理方法采用如[1]～[7]任一技术方案所述的膜电催化系统或者如[8]或[9]任一技术方案所述的双氧化协同膜电催化系统。
[0020][11]根据[10]所述水处理方法，其中，所述方法通过电化学氧化产生的活性氧物种主要为单线态氧。
[0021]专利技术的效果
[0022]本专利技术提供的膜电催化系统使用负载二氧化锡的碳纤维膜作为阳极，该阳极膜具有良好的传质效率和稳定性，并且在电化学氧化过程中主要产生的活性氧物种为单线态氧，对水中的杂质如阴离子表现出强的抗干扰性能，对药物等富电子物质具有很高的选择性，对污水中药物和个人护理品的去除具有潜在优势。在本专利技术的一些优选实施方式中，本专利技术提供的双氧化协同膜电催化系统，阴极和阳极之间发生了协同作用，阴阳极协同氧化可以充分利用两个电极上的半反应，能够大幅提高单线态氧产量，有高的能量效率，进而显著提高系统的处理效率和能量利用率，对污水中难降解有机物的去除具有潜在优势。本专利技术为污水深度处理提供了一种高效简便的系统和方法。
附图说明
[0023]图1：热处理前扫描电镜图((a)(b)含锡的金属有机骨架化合物颗粒；(c)(d)纯碳纤维膜；(e)(f)掺杂二氧化锡的碳纤维膜；(g)(h)掺杂铁的炭纤维膜)
[0024]图2：制备过程示意图和系统构建示意图((a)碳纤维膜制备过程示意图；(b)双氧化协同膜电催化系统构建示意图；(c)不同操作模式示意图)
[0025]图3：本专利技术实施例1的MOF
‑
SnO2@CF和Fe@CF的扫描电镜图和X射线光电子能谱图谱((a)MOF
‑
SnO2@CF的扫描电镜图；(b)Fe@CF的扫描电镜图；(c)
[0026]MOF
‑
SnO2@CF的X射线光电子能谱图谱；(d)Fe@CF的X射线光电子能谱图谱)
[0027]图4：本专利技术实施例1的Fe@CF的X射线衍射图谱
[0028]图5：二氧化锡前驱体种类与含量以及碳化温度对降解的影响((a)二氧化锡前驱体种类与含量对降解的影响；(b)碳化温度对降解的影响；(c)不同碳化温度下MOF
‑
SnO2@CF的X射线衍射图谱；(d)不同碳化温度下MOF
‑
SnO2@CF的拉曼光谱)
[0029]图6：不同模式半间歇实验降解曲线和一次过膜降解曲线((a)不同模式半间歇实验降解曲线；(b)不同模式一次过膜降解曲线)
[0030]图7：总离子流图中3个停留时间分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种膜电催化系统，其特征在于，所述膜电催化系统的阳极为负载二氧化锡的碳纤维膜，所述负载二氧化锡的碳纤维膜是以含锡的金属有机骨架化合物为锡源，引入碳源，通过成型或成型
‑
热处理制得。2.根据权利要求1所述的膜电催化系统，其特征在于，所述碳源选自聚合物、聚合物前驱体、糖类和无机碳源中的至少一种，进一步地所述聚合物选自聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚酯、聚酰胺等中的一种或多种，所述无机碳源选自石墨毡、碳毡、石墨纸、碳纸、碳布和石墨布中的一种或多种。3.根据权利要求1或2所述的膜电催化系统，其特征在于，所述锡源和所述碳源的质量比为(0.1～10):1。4.根据权利要求1～3任一项所述的膜电催化系统，其特征在于，所述成型选自静电纺丝、气流纺、涂覆成膜、压片法、溶胶凝胶法中的一种，进一步地，所述热处理包括预氧化和碳化步骤。5.根据权利要求4所述的膜电催化系统，其特征在于，所述碳化步骤的碳化温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：张潇源，晏妮，黄霞，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：