[发明专利]炭黑‑纳米氧化铁/聚四氟乙烯的非均相管式膜电极

说明书

技术领域

本发明属于电催化电极制备领域，具体涉及炭黑-纳米氧化铁非均相管式膜电极的制作方法，以及其在电芬顿催化法处理难降解有机污染物处理中的应用。

背景技术

难降解有机废水带来严重的环境污染，传统的水处理工艺不能将其从水环境中彻底去除。电化学氧化法以其高效性、环境友好的特点，引起了广泛关注。电化学氧化法主要以电子为试剂，避免了化学氧化法需要另外添加药剂而引起的二次污染问题，反应条件温和，操作可控性强，是一种节能的环保技术。电化学反应发生在阳极阴极表面，阳极利用自身强氧化作用催化氧化有机污染物；阴极利用原位还原Fe³⁺和O₂，发生电芬顿氧化有机污染物，电极材料开发和电催化反应器设计是提高电化学氧化效率研究的重点。

近年来电芬顿技术作为一种电催化氧化水处理技术，由于其高效的电催化性能和优异的电流效率而越来越受到广泛关注，电芬顿技术根据反应状态可以分为均相和非均相电芬顿技术两种，广泛采用的均相电芬顿技术由于其在强酸性条件下（pH<3）具有高的催化活性而限制电极材料的使用和广泛推广。非均相电芬顿技术可以拓宽电极的使用条件和阴阳极的材料而越来越重要。文献1（Design of a neutral electro-Fenton system with Fe@Fe₂O₃/ACF composite cathode forwastewater treatment [J]. Journal of Hazardous Materials, 2009）中较早采用活性炭纤维上负载铁及其氧化物的非均相电芬顿电极用于水处理技术，实验证明电极在中性偏碱性中可以获得较高的污染物去除率；因此，进一步开发非均相电芬顿电极来拓宽电芬顿处理技术的使用范围和条件，及其在水处理中的应用具有十分重要的意义。

此外，目前大部分电芬顿反应装置都采用传统的板式电极，其表面污染物传质效果差，电催化效率低；管式膜电极不但可以提高污染物与电极表面的接触面积，在流动条件下可以增加紊流来提高传质效果，从而提高电催化效率。有文献报道2（Y. Zhang, et al. Improved electrochemical oxidation of tricyclazole from aqueous solution by enhancing mass transfer in a tubular porous electrode electrocatalytic reactor[J]. Electrochimica Acta, 2016）采用在管式膜电极具有优异的电化学性能和传质系数。但是将管式膜电极应用到电芬顿技术尤其是非均相电芬顿技术中尚未见报道，因此开发管式膜非均相电芬顿技术具有十分重要的意义。

发明内容

本发明目的提供了一种可在中性偏碱性的条件下具有较高电催化效率的管式膜非均相电芬顿电极及其制备方法。

本发明的炭黑-纳米氧化铁/聚四氟乙烯的非均相管式膜电极，所述电极由炭黑-纳米氧化铁/聚四氟乙烯的复合材料制成的活性层负载在管式石墨膜基底上，再在最外层负载炭黑-聚四氟乙烯作为还原层得到，其中，炭黑-纳米氧化铁/聚四氟乙烯的复合材料是由质量比为7:1:5的炭黑、纳米氧化铁和聚四氟乙烯混合形成。

进一步的，管式石墨膜基底的外径为50 mm，壁厚2 mm，长30mm。

上述电极的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将纳米炭黑、硝酸铁和聚四氟乙烯加入乙醇中制得活性层前驱液，将预处理好的管式石墨膜基底置于活性层前驱液中超声处理，真空干燥、焙烧，重复超声处理，真空干燥、焙烧后获得活性层；

步骤2，将纳米炭黑、聚四氟乙烯置于有机溶剂中制得还原层前驱液，步骤1所述电极置于还原层前驱液中超声处理，真空干燥、焙烧，重复超声处理，真空干燥、焙烧后获得还原层；

步骤3，步骤2制得的电极置于聚四氟乙烯乳液中超声处理，干燥、焙烧后获得保护层，制得所述的管式膜电极。

进一步的，步骤1中，管式石墨膜基底的表面通过丙酮、乙醇、去离子水超声清洗进行预处理。

进一步的，步骤1中，活性层前驱液由2.0~3.0wt%炭黑、1.5~2.0 wt %聚四氟乙烯、2.0~3.2 wt %硝酸铁组成，其中，所述的炭黑和铁离子的质量比为7:1。