[发明专利]一种活性炭纤维三维粒子电极催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种活性炭纤维三维粒子电极催化剂及其制备方法，属于电催化氧化处理有机废水技术领域；所述的粒子电极催化剂的载体为活化的活性炭纤维，活化方法为：去除活性炭纤维的灰分后，采用电化学还原的方法对活性炭纤维进行表面改性；所述的活性炭纤维载体上负载Fe、Co、Mn、Sn四种金属对应氧化物中的一种或其任意组合作为粒子电极催化剂，其制备方法为将活性炭纤维去除灰分后活化，之后加入到上述金属浸渍液中，采用等体积浸渍的方法进行催化剂负载；本发明能够高效去除废水中有机污染物；反应过程中不需要外加氧化物，降低了工艺运行的风险；所需设备简单，氧化能力强，生产成本低廉；可应用于有机废水的处理中。

技术领域

本发明涉及一种活性炭纤维三维粒子电极催化剂及其制备方法，可作为三维电极反应器的填充粒子及用于难生物降解有机废水处理，属于电催化氧化处理有机废水技术领域。

背景技术

电催化氧化技术是近三十年来才快速发展出的一种新型高效有机废水处理方法，经过多年的发展已经形成了阳极直接电氧化技术，间接电催化氧化技术以及三维电极电氧化技术。其主要原理为通过电解产生强氧化性的羟基自由基OH^－，自由基与有机污染物快速反应，实现污染物的快速降解。对于阳极直接电氧化技术，目前主要围绕电极合成开展研究，常用的电极主要有钛基二氧化锡电极、二氧化铅电极以及金刚石薄膜电极等，这些电极均能实现污染物的快速高效降解，但仍存在一定问题。二氧化锡电极寿命较低，二氧化铅电极电解过程中可能会向溶液中引入铅离子，金刚石薄膜电极虽然效果好但成本过高。对于间接电氧化技术，需要向电解液中加入一定量的中间离子（Cl^－，Ag⁺，Fe²⁺等），电氧化效果虽然较好，但是外加入离子后可能会引起废水的二次污染。为了克服上述电氧化技术成本高、效率低、存在二次污染等问题，学者们引入了三维电极电氧化技术。

三维电极电氧化技术，又称电多相催化氧化技术。它是对传统电催化氧化技术的一个改进，指在阳极和阴极之间加入加粒状或者碎屑状的工作电极，构成三维立体电极。粒子电极的加入提高了电解槽的单位有效反应面积，显著改善了传质，从而提高了电流效率和反应速率。三维电极最初用于电还原处理废水中的重金属离子，是由Backhurst等在20世纪60年代末期提出的（Journal of the Electrochemical Society, 116(11): 1600-1607）。

在三维电极反应体系中，很明显，粒子电极的性质是影响三维电极性能的关键因素。目前文献中常用的粒子电极为碳材料类粒子电极。常用的碳素类粒子电极类型有活性炭，炭气凝胶，碳黑，膨胀石墨等。Canizares等以不锈钢为阳极，以活性炭为粒子电极，进行了电氧化降解苯酚的实验。实验证明苯酚可以在三维电极上快速高效的降解，其实验原理主要是通过阳极氧化以及阴极还原生成H₂O₂来降解污染物（Industrial & EngineeringChemistry Research, 38(10): 3779-3785）。Wu等第一次将炭气凝胶引入三维电极实验中作为粒子电极，结果表明炭气凝胶是一种理想的粒子电极材料，反应重复进行100次以后脱色率仍能达到95%（Chemical Engineering Journal, 138(1-3): 47-54）。Boudenne等采用连续反应器，以炭黑为粒子电极处理4-氯酚模型废水并通过中间产物的检测对4-氯酚的降解机理进行了研究（Water Research, 1999, 33(2): 494-504）。

前人的研究结果已经表明粒状活性炭（GAC）是一种高效的电催化剂。本专利将使用一个全新的活性炭材料，活性炭纤维（ACFs），其具有较高的吸附或脱附速率，较大的微孔结构以及特殊的表面反应活力。同时，在去除废水中有机污染物的研究中，活性炭纤维也具有较为广泛的应用，如在吸附或电吸附实验中被用作吸附剂，在电化学反应中用作电极等。实验结果表明在三维电极反应体系中活性炭纤维作为粒子电极时，其电氧化能力明显优于粒状活性炭。而在现有的专利中，尚未发现以活性炭纤维作为粒子电极的三维电极反应体系。因此本专利提出以活性炭纤维作为粒子电极催化剂载体。