[发明专利]一种基于碳纳米管制备膜电极及其电解去除有机污染物的方法

说明书

本发明涉及一种基于碳纳米管制备膜电极用于有机污染物电催化降解的方法，其基本特征在于结合滤膜和电催化技术，在过滤的同时催化降解流过膜孔的有机污染物。本发明首先预处理碳纳米管，并将其均匀分散在有机溶剂中，然后通过真空抽滤、清洗等步骤制得碳纳米管膜；然后将此碳纳米管膜装配在耦合有阴阳两极供电系统的过滤式反应器中，并连接直流电源，并通过泵将污水压过膜电极。碳纳米管膜电极有大的比表面积和纳米级的空隙，污染物在流过碳纳米管间的纳米级孔隙被过滤的同时，每根碳纳米管上被加载的电场可以有效地降解有机污染物。本发明有效地提高了传质效率、充分利用了碳纳米管膜的大比表面积，最终在远低于常规的二维平行板电极的操作电压下，高效低耗地催化降解有机污染物。该技术可广泛用于染料废水、含酚废水。

技术领域

本发明涉及基于碳纳米管制备膜电极的方法，并将该膜电极用于电催化降解有机污染物，是一种结合了膜过滤和电催化的环保技术。

背景技术

长期以来，针对我国种类繁多的难降解有机废水，整体上仍缺乏经济高效的治理技术，这些废水常未经处理或仅经简单处理后直接排入环境，污染了我们赖以生存的天然水体，危害了人体健康。面对这种挑战，亟待开发新材料、新技术及新工艺并用于废水处理领域中，这已成为发展国民经济保护生态环境的迫切需要。

电催化降解有机污染物已有几十年的发展历程，本身不是一项新技术。其不需外加化学氧化剂、无二次污染、设备简单、可控性好及常温常压下运行等，因此在污水处理领域备受关注。但长期以来由于受反应器传质效率、电极材料及电极副反应等限制，电催化氧化法降解有机污染物的能耗大、运行成本高，因而这一方法目前也未能发挥其应有的潜在优势和处理功效，目前亟需降低能耗才有可能大规模应用到有机废水处理领域中。为此，发展新型反应器并改善电极材料是重要的途径之一。

碳纳米管(CNT)作为一种具有高强度、大比表面积、优良的力学性能、良好的导电能力及电化学活性的新型材料，自上世纪九十年代被发现以来，其巨大的潜在应用价值得到了广泛的关注。仅2011年，全球发表与碳纳米管相关的文章24000余篇，授权专利2000余例，有关它的应用及理论研究主要集中在复合材料、特性吸附分离材料、催化剂载体、氢气存储、电池、超级电容器、电子器件、传感器和显微镜探头等领域，并已取得许多重要进展。而将碳纳米管经过适当的调控和功能化，作为新型电极应用于电解有机废水中，将有可能呈现出不同的电化学性能，自1991年发现碳纳米管之后不久，即有以碳纳米管为电极降解有机废水的报道，随后对于该技术的研究迅速升温。但是以往的研究多是将碳纳米管通过溶胶-凝胶、水热、电沉积等方法负载在基体上，如钛板上而制得，利用的均是碳纳米管的外壁性能。而且相应地，反应器也采用传统的电解池，即二维平行板电极系统。显然在该系统中，污染物仅仅是流过电极表面，受扩散能力的限制，其不易达到多孔碳纳米管电极内部，导致传统电解池中多孔电极的实际利用面积小、效率低。而将污染物传递到电极表面是电化学降解的前提和基础，改善传质条件对提高电化学处理效率降低能耗有明显的作用。若能让含有污染物的废水直接穿过多孔碳纳米管膜电极，而不仅仅是传统电解池中的流过电极表面，这将能缩短污染物扩散到电极表面的距离，降低电极表面静止层的液膜厚度，最终必将能大大提高传质效率和多孔碳纳米管膜的实际利用面积。因此制备碳纳米管多孔膜，将其装配于板框过滤器中，并用于电催化降解有机废水，将是该发明的努力方向。

发明内容