[发明专利]利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置及其使用方法与应用

说明书

本发明公开利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置及其使用方法与应用。该装置包括电Fenton反应器部分、太阳能光伏发电部分、人工智能监测控制部分与生物碳分离回收部分；所述电Fenton反应器部分的阳极与空气扩散阴极由纳米铁生物碳压制而成，阴极添加足量对苯二酚与羟胺以促进铁源高效利用。本发明是基于羟基自由基氧化原理设计，特点如下：三维零价纳米铁生物碳电极大大提高了电Fenton系统对污染物的降解效率；实现Fenton试剂零添加高效处理高浓度有机废液；克服了原始电Fenton系统碱性条件下处理效率差的缺陷；太阳能供电人工智能控制系统，清洁环保。

技术领域

本发明涉及一种高浓度有机废液的高效处理装置，具体涉及利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置及其使用方法与应用。

背景技术

Fenton系统是指Fe²⁺离子与H₂O₂溶液的混合系统，由于Fe²⁺离子可以高效催化分解H₂O₂，使得H₂O₂溶液产生氧化性仅次于氟的羟基自由基，从而达到有效去除水体中有机污染物的目的。电Fenton系统可以通过电化学作用在系统阴极结合氧气与水生成H₂O₂，实现Fenton系统H₂O₂零添加。电Fenton系统有机污染物降解性能的提高一直都是环境领域重点关注的热点话题。

生物碳是通过对固体生物质废料缺氧高温处理而得到的一系列具有良好吸附性、氧化还原特性、持水性和电导性的环境友好型材料。生物碳作为土壤改良剂，可以高效保持水土并有助植物生长，被广泛应用于农业与碳收集储存（封存温室气体）等方方面面。然而在应用过程中却忽视了生物碳的其它优良特性，如良好的电导性使生物碳足以胜任在高浓度有机废液电化学处理中作为电极的角色。同时，生物碳电极应用于电Fenton系统处理有机废液，可以利用其良好的吸附性高效地吸附有机污染物，使得有机污染物在系统中产生强力的电极趋向运动。生物碳电极在短时间内吸附大量有机污染物之后，利用电Fenton系统出色的阳极氧化性能与阴极羟基自由基氧化性能迅速完成电极自清洁，可以继续吸引有机污染物，周而复始地促进有机污染物加速氧化，从而成倍提高电Fenton系统的污染物处理性能。另外，生物碳中多种持久性自由基可以利用其优良的氧化还原性能高效地活化H₂O₂，大大提高羟基自由基的生成，从另一方面增强电Fenton系统的氧化处理高浓度有机废液的性能。

零价纳米铁对生物碳的改性，使得生物碳的各项性能成倍提升。零价纳米铁同样是一种有优良吸附性能、氧化还原性能与导电性能的新型环境友好型材料。零价纳米铁是化学还原性很强的还原剂，因其特有的表面效应和小尺寸效应（直径100nm以下），从而具有优越的吸附性与还原性。最重要的是，零价纳米铁具有出色的脱氯性能。大多数含氯有机污染物的强烈毒性或多或少的来源于利用化学键结合在碳链与环状结构上的氯原子，有机物的脱氯可以大幅降低自身的毒性。所以，零价纳米铁对于降低有机污染物降解产物的毒性方面可以发挥不可限量的作用。然而零价纳米铁极易产生团聚作用，使得其优良特性随表面积的缩小大打折扣。生物碳作为一种载体，可以使零价纳米铁化学沉积在生物碳的多孔结构中，而不产生团聚作用。生物碳电极结合零价纳米铁不仅提升了电极的吸附性与导电性，促进有机污染物的电极趋向运动与电Fenton系统的污染物处理能力，也使得电Fenton系统拥有了高效的脱氯作用，处理有机污染物更加清洁有效。零价纳米铁生物碳电极可以通过Fe单质失去电子，而为电Fenton系统提供源源不断的Fe²⁺，从而提高其有机污染物处理能力。