[发明专利]一种负载四氧化三钴的阴极碳材料活化过硫酸盐强化光电催化降解有机物的方法

说明书

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种负载四氧化三钴的阴极碳材料活化过硫酸盐强化光电催化降解有机物的方法。采用具有可见光响应的光催化阳极，负载四氧化三钴的阴极碳材料及波长大于420nm的可见光源组成光电催化系统。在待处理水中投加浓度为1.0–10.0mM的电解质，浓度为0.2–20.0mM的过硫酸盐，施加外加偏压0.1–2.0V；电化学处理时间为30–120分钟。本方法中投加的过硫酸盐可以被阴极材料活化产生硫酸根自由基和羟基自由基，结合光催化阳极产生的活性氧化物质，共同强化有机污染物的降解和去除。

技术领域

本发明属于水处理领域，涉及一种负载四氧化三钴的阴极碳材料活化过硫酸盐强化光电催化降解有机物的方法。

背景技术

伴随着城市化进程的加快和工业化进程的推进，处理来自农业、城市污水系统、工业排放等诸多来源水体中的有机物成为了环境领域的一大挑战。传统的水处理方法如吸附、超滤等物理法只是将污染物从一种介质转移到了另一种介质，并没有实现有机物的根本降解和去除；城市污水处理系统应用较多的生物法涉及微生物的驯化和培养，对环境条件要求苛刻，且难降解有毒有机物对微生物具有毒害作用；化学法如投加双氧水、含氯物质或臭氧等氧化剂是较为常用的处理手段，但是对有机物的矿化去除能力较弱。

基于半导体材料的光电催化氧化技术是一种环境友好型水处理技术，它主要通过光照半导体电极材料产生光生空穴及诱发产生活性自由基(包括羟基自由基、超氧自由基、单线态氧等)来直接降解矿化有机物，这个过程主要利用半导体阳极的催化作用，因此阴极并没有得到有效利用。目前，光电催化氧化技术对污染物的氧化效率仍有待进一步提高。

基于硫酸根自由基的高级氧化技术因其适用pH范围广、氧化能力强及无二次污染而备受关注。过硫酸盐是一类具有过氧键的氧化剂，与过氧化氢具有类似结构；常温下不易表现出氧化性质，需要通过外界活化来产生具有强氧化性的硫酸根自由基来降解有机污染物。常用的活化方法包括紫外光、加热、微波等物理活化，以及过渡金属离子活化等。其中过渡金属离子活化以其能耗低、反应迅速而被广泛研究。但也存在金属离子需后续分离的问题。

基于以上分析，本申请拟将过硫酸盐引入光电催化体系，将四氧化三钴负载在阴极碳材料活化过硫酸盐，同时利用光生电子促进阴极四氧化三钴中钴的价态转化与循环，提高光电催化系统对有机污染物的降解效率，同时解决了过渡金属离子活化过硫酸盐需分离回收的问题。

发明内容

本发明的目的是，利用阴极活化产生的硫酸根自由基强化光电催化体系降解水中有机污染物。为此，在光电催化体系中加入过硫酸盐，通过阴极材料上过渡金属氧化物的活化作用，产生具有较高氧化活性的硫酸根自由基和羟基自由基，实现水中有机污染物的快速降解去除。

为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

在反应器中加入有机污染物，采用具有可见光响应的光催化阳极，采用负载四氧化三钴的碳阴极材料，波长大于420nm的可见光作为光催化电源，恒电位仪或直流电源供电。向反应器中投加浓度为1.0–10.0mM的电解质，浓度为0.2–20.0mM的过硫酸盐，外加偏压设置为0.1–2.0V，电化学处理时间为30–120min。

所述的负载四氧化三钴的阴极碳材料，负载方法是：将氢氧化钠和硝酸钴以摩尔比4:1的比例加入到水中转移至反应釜，并向其中投加碳材料，150℃反应5小时，多次清洗并烘干得到负载四氧化三钴的碳基底材料；

所述的具有可见光催化活性的半导体光电极包括，钼酸铋电极、石墨相氮化碳电极等；

所述过硫酸盐为过硫酸钠或过硫酸钾或过硫酸氢钾复合盐，在光电催化反应器中的总浓度为0.2–20.0mM；

所述的有机污染物，包括常见的亚甲基蓝，双氯芬酸钠，苯酚等。

本发明的一种负载四氧化三钴的阴极碳材料活化过硫酸盐强化光电催化降解有机物的方法的技术原理如下：