[发明专利]用于去除污废水中难降解有机物和氨氮的催化粒子电极及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及污废水处理领域，具体涉及污废水中难降解有机物和氨氮同步去除的催化粒子电极及其制备方法和应用。

背景技术

农药、印染、化工、医药等行业以及垃圾填埋场所产生的废水多为难降解有机废水，这些废水中通常含有高浓度的、具有生物毒性的且稳定性强的有机污染物，采用常规生物方法处理后，仍有部分难降解有机物无法得到降解去除，使废水排放达不到要求。

电化学氧化技术作为高级氧化技术的一种，具有可在常温下进行、占地小、易于实现自动化、降解完全且无二次污染的优点，越来越引起人们的重视。电化学氧化主要包括平板二维电极法和三维粒子电极法。传统的平板二维电极法中平板电极面积与溶液的面体比相对较小，单位电解槽体处理量小，电流效率低。三维电极法是在二维电解槽平板电极之间装填粒状或其他碎屑状工作电极材料作为第三电极，使装填粒子电极材料表面带电，并在粒子电极表面发生电化学反应。与二维电极相比,三维电极的比表面积增大，而且因为粒子间距小，传质效果得到改善，扩展了反应区域和产生羟基自由基的能力，因而具有较高的电流效率。

在粒子电极上负载金属催化剂构成催化粒子电极，在外加电场作用下，粒子电极表面上实现了电化学反应和催化作用的结合，提高了有机污染物的降解去除效果。负载金属通常为常见的过渡金属和一些稀有金属，它们都具有一定的催化活性。中国专利文献CN201210270047.0制备出负载Fe、Cu等金属元素的陶土和γ-Al₂O₃的复极性三维电极催化剂填料，用于难生物降解有机废水的处理；中国专利文献CN201310719743.X制备以γ-Al₂O₃为载体负载MnO₂、CuO、Fe₂O₃等常见金属氧化物中的一种或几种共同作为复极性粒子电极，辅以臭氧强化催化氧化再经由中空纤维分离膜出水，实现难生物降解有机污染物的高效降解；中国专利文献CN201310182361.8采用活性炭颗粒和多孔瓷环复合粒子作为载体，负载Ce、Mn、Co元素制备复合粒子电极用于高浓度难降解有机污染物的预处理和低浓度污水的深度处理。但是这些催化粒子电极在难降解有机物的矿化方面(即将有机物降解为无机物质)仍不足，而且处理目标较为单一，只能单独去除废水中的难降解有机物或者氨氮，很难将二者同时去除，同时能量消耗仍比较高，而且在催化粒子电极的制备中，对于粒子电极本身作为载体的性质并没有过多考虑。

发明内容

本发明的目的是提供一种对于难降解有机物具有降解效率高、矿化率高、单位COD处理能耗低，同时可去除氨氮，且制备过程简单和价廉易得的催化粒子电极。

本发明的再一目的是提供上述催化粒子电极的制备方法。

本发明的再一目的是提供上述催化粒子电极的应用。

根据本发明的三维催化粒子电极，包括粒径为1mm-5mm的果壳活性炭以及负载于其上的金属组分，所述金属组分的含量为活性炭总质量的0.8wt％-2.5wt％。

对于粒径为1-2mm的果壳活性炭，金属盐溶液的总摩尔浓度优选0.2-0.3mol/L，对于粒径为2-3mm的果壳活性炭，金属盐溶液的总摩尔浓度优选0.3mol/L，对于粒径为3-5mm的果壳活性炭，金属盐溶液的总摩尔浓度优选0.4-0.5mol/L。

催化金属的主要组成为钴铁元素，两元素所占比例之和应大于总金属摩尔组分的80％，其中钴元素所占比例应保持在50％以上，除钴铁外剩余的金属组分由锰和镍元素提供。

根据本发明制备三维催化粒子电极的方法包括以下步骤：

(1)预处理：取一定量的果壳活性炭，用去离子水反复清洗干净，烘干备用。

(2)活化：将步骤(1)所得活性炭用稀酸进行表面活化，干燥后使用。

(3)负载：取步骤(2)中所得的果壳活性炭，浸渍于等体积的金属盐溶液中，振荡反应后，烘干。

(4)焙烧：将(3)中的果壳活性炭置于N₂保护条件并隔绝空气的环境中，于一定高温条件下焙烧一定时间，获得催化粒子电极。

上述步骤(1)所述选取的果壳活性炭载体具有高吸附速率和高吸附容量容量，对于同等的有机污染物，果壳活性炭的吸附速率是其他活性炭(如煤质活性炭、椰壳活性炭)的2-4倍，饱和吸附容量是其他活性炭的3-10倍。