[发明专利]用于使用碳电极的电芬顿方法的装置和方法及其用于去除有机污染物的应用

说明书

技术领域

本发明涉及用于工业废水处理的绿色电化学高级氧化法，称为电芬顿方法。更具体地，本发明涉及一种碳阴极(例如，石墨烯泡沫、或涂覆有石墨烯的碳纤维/碳布)及其在电芬顿方法中的用途。

背景技术

在本说明书中列举或讨论的明显在先公布的文献不应必然被视为承认该文献是现有技术的一部分或者是公知常识。

水质不仅在社会层面而且在技术上也越来越受到关注。特别地，各个行业目前在其废水流中排放大量的合成有机污染物。这些污染物在常规废水处理厂中常常不能被大量去除，因为这些污染物的绝大多数由耐微生物降解的持久性有机污染物(POP)组成。目前对废水处理领域的关注集中于开发简单、安全、有效、环保且经济的物理化学技术以完全去除这样的POP。

在物理化学方法中，高级氧化法(AOP)已经变得流行，因为其允许生成羟基自由基(·OH)，这是可以与许多生物难降解的有机化合物非常快地反应的非选择性氧化剂。传统的AOP由过氧化氢光解(H₂O₂/UV)、臭氧光解(O₃/UV)、芬顿(H₂O₂/Fe²⁺)和光芬顿(H₂O₂/Fe²⁺/UV)技术构成。然而，这些技术依赖于添加大量昂贵的化学试剂特别是过氧化氢(H₂O₂)。而且，基于臭氧的方法难以实施，因为这种分子是爆炸性的，因此难以规模化进行操作，而芬顿法通常产生大量污泥。

电化学高级氧化法(EAOP)得到越来越多的研究，因为其提供了用清洁的试剂(电子)替代化学品的使用的手段，同时提高了去除效率。这样的方法允许持续电化学生成·OH，并且由于其在有机负荷(0.01<COD<100g-O₂L^-1)方面的高度灵活性而具有广泛应用的优势。电芬顿(EF)最近成为最有前景的EAOP，通过芬顿反应(方程1)生成·OH自由基：

H₂O₂+Fe²⁺→Fe³⁺+·OH+HO^- (1)

与传统的芬顿法相比，H₂O₂是通过O₂还原(方程2)在阴极处原位电催化生成的，同时仅需要催化浓度的Fe²⁺—如果没有初始存在于废水中—因为其通过Fe³⁺还原(方程3)[10]而电化学再生：

O₂+2H⁺+2e^-→H₂O₂ (2)

Fe³⁺+e^-→Fe²⁺ (3)

换句话说，电芬顿技术是芬顿法的电化学变体，其中芬顿试剂(H₂O₂和Fe²⁺)在反应器的阴极处原位电催化生成，前提条件是反应介质中提供至少催化量的铁(原位存在于介质或被添加到介质中)。之后发生芬顿反应，在此期间，H₂O₂与Fe²⁺反应产生羟基自由基(^●OH)(即，Fe²⁺+H₂O₂→Fe³⁺+^●OH+^-OH)。羟基自由基是极高氧化性的物质(E°＝2.80V/SHE)，仅次于氟。这使得其对于持久性有机污染物的高级去除非常有效。因此，电芬顿方法和芬顿法的其他变体已经频繁地被用于废水处理。

目前对使用电芬顿方法的尝试的综述均表明常规方法均是低效的并且使用昂贵的电极材料(例如，参见Brillas,E.等,2009.Chem.Rev.109,6570–6631；Nidheesh,P.V.和Gandhimathi,R.,2012.Desalination 299,1–15；以及Sirés,I.等,2014.Environ.Sci.Pollut.Res.Int.21,8336–67)。

发明内容

在以下编号项中提供了本发明的方面和实施方案。

1.一种电芬顿装置，包括：

阴极；和