应用于电Fenton体系的碳纤维材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电催化阴极材料的改性领域，具体涉及到一种应用于电Fenton体系的碳纤维材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]电Fenton法是近来备受关注的高级氧化技术之一，利用电化学法电解产生具有强氧化性的.0Η来氧化废水中的有机物。基于传统Fenton试剂的作用机理，电Fenton也是由H2O2和Fe2+反应产生强氧化性的.0Η。在电Fenton体系中，通过曝气在阴极表面产生H202。H2O2在Fe2+的催化作用下产生.0Η，.0Η氧化有机物。Fe 3+在阴极会发生的还原反应产生Fe2+，使Fenton反应得以继续进行。此技术具有花费低，设备简单、运行效率持续等优点，但是受到电极材料的限制，难以工业化应用。
[0003]如何提高阴极H2O2的浓度是电Fenton技术研宄的一个难点，而阴极材料是决定H2O2产率的关键因素。由于碳材料具有较强的稳定性，优良的导电性，较高的析氢点位等优点，在电Fenton研宄中具有良好的应用前景。其中，碳纤维比表面积大，耐腐蚀性强，耐高温，机械强度高，吸附能力强等，是一种实际应用前景较好的阴极材料。但是由于市面上的碳纤维作为阴极时，H2O2产生效率不高，影响电Fenton系统降解有机物的效果，因此开发新型高效、简单易行的碳纤维改性方法，增加其氧化还原活性点位，对促进电Fenton体系阴极材料的开发，以及电Fenton处理有机废水技术的实际应用具有重要意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种应用于电Fenton体系的碳纤维材料及其制备方法。
[0005]本发明采用以下技术方案来实现的:一种应用于电Fenton体系的碳纤维材料，所述材料由碳纤维和原位负载于碳纤维表面的碳纳米空心球组成。
[0006]一种应用于电Fenton体系的碳纤维材料的制备方法，该方法包括以下步骤:
(I)去油处理:将碳纤维材料在丙酮中浸泡24 h后，用去离子水清洗去除残余有机物，
干燥后得到预处理后的碳纤维材料。
[0007](2)水热处理:将步骤(I)预处理后的碳纤维材料浸泡于质量分数为1~10%的葡萄糖水溶液中，超声处理1-2小时后，将碳纤维材料与葡萄糖水溶液转移至反应釜中，1200C -200°C水热处理12-24 h，反应结束后冷却至室温；
(3)将步骤(2)处理后的碳纤维材料，用去离子水清洗去除碳纤维表面残留物质，真空干燥后得到改性的碳纤维材料。
[0008]进一步地，步骤(2)中，水热处理温度为180°C _200°C。
[0009]一种应用于电Fenton体系的碳纤维材料的应用，该应用为，将所述材料作为阴极材料，用于电Fenton有机废水处理。
[0010]本发明的有益效果在于: 1.空心碳纳米球具有密度小、比表面积高、结构稳定、可填充性好、能容纳电解质离子，是一种良好的电极材料。
[0011]2.本发明的处理工艺简单，材料便宜易得，易于推广应用。
[0012]3.通过本发明方法所得的改性碳纤维，其表面原位负载了碳纳米球，增大了碳纤维材料的比表面积，提供了更多的反应活性点位；原位生成的碳纳米球表面具有更多的亲水基团，有利于促进溶液中电极材料的界面传质过程。
[0013]4.采用本发明方法处理的碳纤维材料，具有优良的稳定性和重复使用性。
【附图说明】
[0014]图1 (a)、(b)分别为本发明方法改性前后碳纤维表面的扫描电镜图(图1 (a)改性前，图1(b)改性后)；
图2碳纤维表面碳纳米空心球的放大图；
图3(a)、(b)分别为图2中a、b两点处的能谱图；
图4为本发明方法改性前后碳纤维作为电Fenton体系阴极降解电镀废水的效果。
[0015]图5为本发明方法改性后碳纤维作为电Fenton体系阴极材料的重复使用性能。
【具体实施方式】
[0016]如图1和2所示，本发明一种应用于电Fenton体系的碳纤维材料，所述材料由碳纤维和原位负载于碳纤维表面的碳纳米球组成。从图1可知，碳纤维材料表面负载了大量纳米球。纳米球形结构由于其内部的孔隙空间，具有比表面积高，容量大以及循环寿命长等特点。碳纤维表面负载大量的纳米球增大了碳纤维材料的比表面积，增加了其反应活性点位。原位负载的纳米球表面具有更多的亲水基团，接触角由原来的145°下降至126°，有利于促进溶液中电极材料的界面传质过程。图3a和b分别为图2中a和b两点的能谱分析图，得到C和O元素的质量百分比分别为75.18%和24.82%。可知，碳纤维上负载的纳米球为碳纳米球。从图2中部分破裂的碳纳米球(方框中)可以看出，碳纳米球为空心的纳米球。空心碳纳米球具有密度小、比表面积高、结构稳定、可填充性好、能容纳电解质离子，是一种良好的电极材料。
[0017]下面结合实施例对本发明作进一步说明。
[0018]实施例1:一种应用于电Fenton体系的碳纤维材料的制备方法，该方法包括以下步骤:
(I)去油处理:
将碳纤维材料浸泡于丙酮溶液中进行去油处理，浸泡时间为24 h，获得去油处理后的碳纤维材料，之后将其用去离子水超声清洗数次直至去除残余有机物。将材料至于烘箱中，80°C烘干，彻底去除残余丙酮，获得预处理后的碳纤维材料。
[0019](2)水热处理:
将步骤(I)所得的去油处理后的碳纤维完全浸泡于质量分数为1%的葡萄糖溶液中，超声处理1-2小时，让碳纤维充分吸收葡萄糖溶液；将碳纤维与葡萄糖溶液转移至聚四氟乙烯的罐子中，放入不锈钢反应釜，120°C水热处理24 h，自然冷却至室温。
[0020](3)将步骤(2)所得的碳纤维材料，用去离子水浸泡，超声洗涤数次直至去除碳纤维表面残留物质，真空干燥10 h，得改性碳纤维材料。
[0021]实施例2:—种应用于电Fenton体系的碳纤维材料的制备方法，该方法包括以下步骤:
(I)去油处理:
将碳纤维材料浸泡于丙酮溶液中进行去油处理，浸泡时间为24 h，获得去油处理后的碳纤维材料，之后将其用去离子水超声清洗数次直至去除残余有机物。将材料至于烘箱中，80°C烘干，彻底去除残余丙酮，获得预处理后的碳纤维材料。
[0022](2)水热处理:
将步骤(I)所得的去油处理后的碳纤维完全浸泡于质量分数为10%的葡萄糖溶液中，超声处理1-2小时，让碳纤维充分吸收葡萄糖溶液；将碳纤维与葡萄糖溶液转移至聚四氟乙烯的罐子中，放入不锈钢反应釜，180°C水热处理24 h，自然冷却至室温。
[0023](3)将步骤(2)所得的碳纤维材料，用去离子水浸泡，超声洗涤数次直至去除碳纤维表面残留物质，真空干燥10 h，得改性碳纤维材料。
[0024]实施例3:—种应用于电Fenton体系的碳纤维材料的制备方法，该方法包括以下步骤:
(I)去油处理:
将碳纤维材料浸泡于丙酮溶液中进行去油处理，浸泡时间为24 h，获得去油处理后的碳纤维材料，之后将其用去离子水超声清洗数次直至去除残余有机物。将材料至于烘箱中，80°C烘干，彻底去除残余丙酮，获得预处理后的碳纤维材料。
[0025](2)水热处理:
将步骤(I)所得的去油处理后的碳纤维完全浸泡于质量分数为10%的葡萄糖溶液中，超声处理1-2小时，让碳纤维充分吸收葡萄糖溶液；将碳纤维与葡萄糖溶液转移至聚四氟乙烯的罐子中，放入不锈钢反应釜，200°C水热处理12 h，自然冷却至室温。
[0026](3)将步骤(2)所得的碳纤维材料，用去离子水浸泡，超声洗涤数次直至去除碳纤维表面残留物质，真空干燥10 h，得改性碳纤维材料。
[0027]实施例4:本实施例将实施例1、2和3制备得到的改性碳纤维材料作为阴极材料，用于电Fenton有机废水处理。
[0028]将该实施例获得的改性碳纤维作为电Fenton体系的阴极材料，进行电镀废水有机物降解能力的实验。在PH为3，外加催化剂Fe2+浓度为2 mmol/L时，电镀废水COD降解效果如图4所示。从图4可知，该实施例1、2和3获得的改性碳纤维材料用作阴极时，反应30 min时COD的去除效率达到79%~81%，约为改性前未处理碳纤维阴极的2.7倍，在60 min时，本发明实施例1、2和3制备得到的材料的COD去除率达到92%~94%，约为改性前未处理碳纤维阴极的1.7倍；说明这种原位负载有碳纳米空心球的碳纤维显著提高了碳纤维阴极在电Fenton体系中对有机物的去除能力。
[0029]从图5可知，该实施例1获得的改性碳纤维阴极材料在电Fenton体系中经过20次重复使用后，对有机物的降解性能未出现明显减弱，表明该改性碳纤维材料具有优良的稳定性和重复使用性。
[0030]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
【主权项】
1.一种应用于电Fenton体系的碳纤维材料，其特征在于，所述材料由碳纤维和原位负载于碳纤维表面的碳纳米空心球组成。
2.—种权利要求1所述的材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: (1)去油处理:将碳纤维材料在丙酮中浸泡24h后，用去离子水清洗去除残余有机物，干燥后得到预处理后的碳纤维材料； (2)水热处理:将步骤(I)预处理后的碳纤维材料浸泡于质量分数为1~10%的葡萄糖水溶液中，超声处理1-2小时后，将碳纤维材料与葡萄糖水溶液转移至反应釜中，1200C -200°C水热处理12-24 h，反应结束后冷却至室温； (3)将步骤(2)处理后的碳纤维材料，用去离子水清洗去除碳纤维表面残留物质，真空干燥后得到改性的碳纤维材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:步骤(2)中，水热处理温度为180 0C -200。。。
4.一种权利要求1所述的材料的应用，其特征在于:该应用为，将所述材料作为阴极材料，用于电Fenton有机废水处理。
【专利摘要】本发明公开了一种应用于电Fenton体系的碳纤维材料及其制备方法与应用，所述材料由碳纤维和原位负载于碳纤维表面的碳纳米空心球组成。该方法在高温下，碳纤维与葡萄糖溶液在密闭的反应釜中水热处理后得到表面改性阴极材料。经本发明技术活化处理后的碳纤维，实现了碳纳米球的原位负载，从而增加了表面反应活性点位，提高材料的表面亲水性。将此材料应用于电Fenton体系，可以有效提高阴极产生?OH的能力，显著增强有机物的去除能力。本发明方法操作简单，方便可控，对设备要求低，具有较好的应用前景。
【IPC分类】C02F1-72, D06M11-74, D06M101-40, C02F1-461
【公开号】CN104805682
【申请号】CN201510185933
【发明人】蔡巧兰, 陈雪松, 范海青, 陈水荣, 吕淑瑜, 宋雪平, 李筱焕
【申请人】浙江冶金环境保护设计研究有限公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年4月17日