一种高效降解卡马西平电催化粒子电极及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于废水处理技术领域，特别涉及一种用于处理城市污水中卡马西平的电催化粒子电极及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着经济的发展，城市污水中目前广泛存在来自工业废水中的重金属、酚类化合物以及其它不可生物降解的新兴有机污染物质，这些物质普遍认为对人体和环境具有毒性。一方面传统污水处理工艺不能有效去除，带给受纳水体及剩余污泥处置地的二次污染，进而影响给水厂水源和当地地下水水质；另一方面，常规的给水处理工艺混凝、沉淀、过滤对其中一部分物质并没有明显的效果。虽然高级氧化及膜分离可以有效地去除水中部分新兴有机污染物质，但因诸多原因并未在给水处理中应用，有毒新兴有机污染物质一旦进入水源必威胁用水安全。为了减轻此类污染物对人类健康地危害，寻找适合我国国情且经济有效的城市污水深度处理技术来去除这些污染物迫在眉睫。
[0003]卡马西平(Carbamazepine)是一种能够预防或治疗癫痫病、狂躁抑郁症等神经疾病的药物，用于治疗癫痫大发作和精神运动性癫痫，还可治疗三叉神经痛，化学名为5H-二苯并[b，f]氮杂卓-5-甲酰胺，其为白色或类白色结晶性粉末，熔点189?1921，分子式为C15H12N2O，分子量为236.27，在环境受纳水体中均被频繁检出、且检出浓度相对较高，具有潜在的生态毒性，是目前最受关注的PPCPs类污染物，其为芳香杂环化合物，属于难生物降解的有机物，传统的污水处理方法(如A2/0、吸附、紫外等方法)以及常规的混凝、沉淀、过滤给水处理工艺都不能够有效去除。
[0004]复极性三维电极是一种新型的高级氧化方法，能够在催化剂的作用下在粒子电极表面生成具有强氧化性的羟基自由基和过氧化氢等物质，是降解有机物污染物的关键物质。复极性三维电极降解废水中的有机污染物技术至今未能实现工业化，其主要原因是电流效率低，能耗高，处理难降解有机物的难点在于两个“时间”问题:一是处理降解有机物的电催化速度和效率如何提高；另一个是电极寿命问题，即电极的稳定性如何提高。对于前者，要从研制高电催化活性的粒子电极和有效的反应器设计入手来解决;对于后者，则要从粒子电极的结构和制备方法入手去研究。目前常用的几种粒子电极包括活性炭、金属氧化物以及负载的金属或金属氧化物，然而这些粒子电极存在如下问题:活性炭颗粒的阻抗相对较小，装填于三维电极反应器中运行时容易形成短路电流，从而降低电流效率，并且活性炭粒子在电解过程中还会出现粉化现象;金属氧化物粒子电极在电解过程中会有一些有毒的离子溶出，会成为二次污染物，例如Pb02粒子电极;负载的金属或金属氧化物克服了活性炭粒子电极的缺点，提高了水处理效果，但也存在负载金属易于脱落等问题。因此，本发明要解决的技术问题是针对城市污水处理厂出水中难处理物质卡马西平，提供一种具有高效降解卡马西平的持久性电催化粒子电极及制备方法，以解决现有污水技术处理卡马西平低、粒子电极稳定性不够、寿命短、电极材料成本较高的问题。
【发明内容】
[0005]本发明针对以上问题，提供一种高效降解卡马西平电催化粒子电极及其制备方法。本发明所提供的粒子电极材料作为三维电极反应器的工作电极，可有效降解城市污水处理厂出水中难处理物质卡马西平，且电流效率高，能耗低，粒子电极寿命长。
[0006]本发明的技术方案之一是提供一种具有高效降解卡马西平电催化粒子电极由干燥煤矸石颗粒、干燥细粘土、成孔剂、活化剂、负载剂构成。
[0007]所述成孔剂可以是炭粉、锯末肩、淀粉中的一种。
[0008]所述活化剂可以是Fe304、Fe203、Mn02、Cu0中的一种。
[0009]所述煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。其主要成分是△1203、3丨02，另外还含有数量不等的？6203、030、]\%0、他20、1(20、？205、303和微量稀有元素(镓、?凡、钦、钻)。
[0010]所述负载剂是SnCl4.5H20和Mn(N03)2。
[0011]本发明的技术方案之二是提供一种具有高效耐久性电催化功能的粒子电极的制备方法，包括以下步骤:
Α、煤矸石颗粒于球磨机中球磨，取出后先后在稀酸(10%盐酸)、稀碱(10%氢氧化钠)中煮沸半小时，再用蒸馏水冲洗、浸泡，于烘箱内105°C下烘干，然后过60目筛，取干燥细煤矸石颗粒备用；
B、粘土放于烘箱内105°C烘干，将烘干的粘土在研钵中粉碎，然后过60目筛，取干燥细粘土备用；
C、将步骤A中的干燥细煤矸石颗粒、步骤B中的干燥细粘土、成孔剂和活化剂按照一定的重量百分比，混合并搅拌均匀，制备混合生料；
D、将SnCU.5H20和Μη(Ν03)2以物质的量比为82:45溶于盐酸中，再加入无水乙醇配成溶液，搅拌均匀，得到溶胶；
E、将步骤C中的混合生料浸渍于步骤D中得到的溶胶中4h，再于烘箱内105°C下烘干，冷却至室温，制备负载生料；
F、将步骤E中的负载生料挤压成生料球，并在烘箱中120°C下烘24小时；
G、将步骤F中烘干后的生料球，置于高温炉中从室温以120°C/h升至300°C，加热2h，然后以60°C/h升至550°C，活化10-30min，再以300°C/h升至850°C焙烧10_30min，自然冷却至室温，得到新型高效持久性电催化粒子电极。
[0012]混合生料按照重量百分比计，干燥细煤矸石颗粒占50-60%、干燥细粘土占10-20%、成孔剂占10-20%、活化剂占10-20% ο
[0013]所述成孔剂可以是炭粉、锯末肩、淀粉中的一种。
[0014]所述活化剂可以是Fe304、Fe203、Mn02、Cu0中的一种。
[0015]所述煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。其主要成分是△1203、3丨02，另外还含有数量不等的？6203、030、]\%0、他20、1(20、？205、303和微量稀有元素(镓、?凡、钦、钻)。
[0016]通过上述制备方法制备的高效降解卡马西平电催化粒子电极，取固体废弃物为煤矸石。煤矸石中含具有电催化作用的Fe203和微量稀有元素(镓、钒、钛、钴)，与成孔剂、活化剂混合在一起后，能够产生良好的电催化反应，使颗粒表面形成多孔状态，具有较好的吸附性能，能够导电，具有一定的催化性能，制备工艺采用先负载再成型的工艺流程，可以保证粒子电极的使用寿命，同时在电解过程中产生有强氧化性的羟基自由基和过氧化氢等物质，电解槽内的溶解氧在阳极上被还原成H202。卡马西平一方面和活性中间体发生电化学燃烧，被矿化为C02和H20 ;另一方面和活性中间体发生电化学转化，有机物被氧化为一系列的低碳中间产物。而且，采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物煤矸石，其堆放不仅需要资金和大面积堆场