本发明属于电学领域，涉及一种电极，具体来说是一种用于高效快速降解难生物降解有机物的活性炭电极及制备方法。
背景技术：
随着工业化和城市化进程的加快，城市污水主要由含有高浓度氮磷的生活污水和工业污水组成。由于污染物成分复杂，不易降解，水质已不再是传统的“市政污水”。另一方面，随着水污染问题的日益重视，特别是自2006年国家实施节能减排以来，政府对城市污水处理厂出水水质提出了更高的要求。中国已逐步开始实施《城镇污水处理厂污染物排放标准》（gb18918-2002）一级a标准。目前，在中国大部分的污水处理厂仍然采用氧化沟、a2/o活性污泥处理法，sbr法等传统方法。水质仅能满足gb18918-2002二级标准，cod最高允许排放浓度（日均值）为100mg/l，而gb18918-2002一级a标准cod最高允许排放浓度（日均值）为50mg/l。因此，探究新型污水深度处理技术，成为人们日益关注的重点。
电化学方法以其处理效率高，清洁，无二次污染的特点倍受人们青睐，但是过大的电能消耗成为制约其发展的重要因素之一。因此，在电化学降解处理过程中，除了操作条件和设备之外，电极的选择尤为重要。电极需要具有良好的可循环性、可再生性、吸附性、耐冲击负荷性以及高效的电催化性等优点，从而减少处理过程中电能的消耗。
李书红等人（shu-hongli,yuezhao,jianchu,etal.electrochemicaldegradationofmethylorangeonpt–bi/cnanostructuredelectrodebyasquare-wavepotentialmethod[j].electrochimicaacta,2013,92:93-101.）利用pt-bi/c双金属碳纸电极对降解废水中的甲基橙进行了降解试验。pt纳米粒子具有高效稳定的催化活性，bi纳米粒子具有独特的半金属半导体性质和阻抗效应，二者组合比单独的催化剂具有大大增强的催化活性。施加方波电压，设置上电位和下电位分别为1.5v和-1.5v，电解180分钟，废水中甲基橙的降解率高达95.6%。经过四个周期的重复利用后，降解率下降至80%，下降率为16.3%。此实验中电极使用的碳纸成本较高，约0.6元/cm2,每片电极的碳纸成本约4.8元，电沉积所需的氯铂酸和硝酸铋以及电沉积液的成本约8.23元，所以每片电极所需材料的成本约13.03元，不具有经济效益。
本课题组采用采用电沉积方法将pt和bi负载于石墨粉-活性炭-聚四氟乙烯复合材料上，制备得到负载pt-bi的石墨粉-活性炭-聚四氟乙烯复合电极（一种用于高效快速降解难生物降解有机物的电极及其制备方法，发明专利申请号：201610928545.8）。添加的活性炭具有吸附效应，石墨粉具有导电性，且活性炭成本约0.036元/g，石墨粉成本约0.016元/g，粘结剂聚四氟乙烯成本约7元/g，电沉积所需的氯铂酸和硝酸铋以及电沉积液的成本约8.23元，每片电极所需的材料成本约8.53元，虽然其有机物降解率与pt-bi碳纸电极相当，且成本要低得多，但在电解过程中存在有机粘结剂析出而导致废水toc无法达标的缺点。
技术实现要素：
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种用于高效快速降解难生物降解有机物的活性炭电极及制备方法，所述的这种用于高效快速降解难生物降解有机物的活性炭电极及制备方法要解决现有技术中的负载pt-bi的石墨粉-活性炭-聚四氟乙烯复合电极在电解过程中存在有机粘结剂析出而导致废水toc无法达标的技术问题。
本发明提供了一种用于高效快速降解难生物降解有机物的活性炭电极，包括一个石墨粉-活性炭电极，所述的石墨粉-活性炭电极由石墨粉、粘结剂和活性炭组成，所述的石墨粉、粘结剂和活性炭的质量比为0.9~1.1:4.5~5.5:3.6~4.4，在石墨粉-活活性炭电极上负载有pt-bi双金属。
进一步的，所述的粘结剂为水泥。
本发明还提供了上述用于高效快速降解难生物降解有机物的活性炭电极的制备方法，包括如下步骤：
1)一个制备石墨粉-活性炭复合材料的步骤，
以活性炭为活性材料，石墨粉为导电剂，水泥为粘结剂，按照3.6~4.4:0.9~1.1:4.5~5.5的质量比分别称取后混合，然后加入自来水，所述的自来水和所有原料的质量比为0.9~1.1:1，充分搅拌，直至完全混合均匀；将得到的泥浆状固体物涂抹在石墨纸上，并用模具压制成规整且表面光滑的薄片，然后放置于混凝土养护箱中，在80~95%湿度和20~30℃温度下养护3~4天，获得石墨粉-活性炭-水泥复合材料；
2)一个采用电化学沉积法制备负载pt-bi的石墨粉-活性炭-水泥复合电极的步骤，
以制备的石墨粉-活性炭-水泥复合电极作为工作电极，铂电极作为辅助电极，ag/agcl电极作为参比电极，将含0.4~0.6g/l的h2ptcl6、0.4~0.6mmol/l的bi(no)3、1.8~2.2g/l的柠檬酸和质量百分比浓度为0.8~1.2％hno3的溶液作为沉积液，在-0.8v恒定电位下电沉积200~300s，将电沉积好的电极放置在鼓风干燥箱中干燥，即可得到负载pt-bi的石墨粉-活性炭-水泥复合电极。
本发明采用了新型的pt-bi二元金属纳米粒子负载活性炭电极，并以水泥为粘结剂，利用了活性炭较好的吸附性和石墨粉的较好的导电性能，对难生物降解的废水进行处理。
石墨纸成本约34元/m2，单电极石墨纸用量为10cm2，活性炭成本约0.036元/g，石墨粉成本约0.016元/g，粘结剂水泥成本约0.007元/g，单片电极平均质量约为0.4g，活性炭:石墨粉:水泥为3.6~4.4:0.9~1.1:4.5~5.5。单次电沉积所需的氯铂酸和硝酸铋以及电沉积液的成本约8.23元，则每片电极所需的材料成本约8.27元。
对比pt-bi碳纸电极，此新型电极的降解率为76.62%，经过四个周期的重复降解实验后，电极的降解率降至55%，明显低于pt-bi/c双金属电极95.6%的降解率，但能够满足cod超标不多的废水处理要求。pt-bi碳纸电极成本为13.03元，pt-bi负载石墨粉-活性炭-水泥电极的成本为8.27元，成本较pt-bi碳纸电极降低了36.53%。
对比负载pt-bi的石墨粉-活性炭-聚四氟乙烯复合电极，此新型电极的降解率为76.62%，经过四个周期的重复降解实验后，电极的降解率降至55%，明显低于pt-bi/c双金属石墨粉-活性炭-聚四氟乙烯复合电极95.6%的降解率，但能够满足cod超标不多的废水处理要求，且不存在电解过程中有机粘结剂的析出问题，能确保废水toc达标，其成本下降3%。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明在双金属碳纸电极的基础上进行改进，加入活性炭，并用石墨纸代替高价的碳纸，实现经济效益。在负载pt-bi的石墨粉-活性炭-聚四氟乙烯复合电极的基础上进行改进，以无机的水泥粘结剂代替聚四氟乙烯有机粘结剂，解决电解过程中有机粘结剂的析出问题，确保废水toc达标。
具体实施方式
实施例1
本发明提供了一种用于高效快速降解难生物降解有机物的活性炭电极，包括一个石墨粉-活性炭电极，所述的石墨粉-活性炭电极由石墨粉、粘结剂和活性炭组成，所述的石墨粉、粘结剂和活性炭的质量比为1:5:4，在石墨粉-活性炭电极上负载有pt-bi双金属。
进一步的，所述的粘结剂为水泥。
本发明还提供了上述用于高效快速降解难生物降解有机物的活性炭电极的制备方法，包括如下步骤：
1)一个制备石墨粉-活性炭复合电极的步骤，
以活性炭为活性材料，石墨粉为导电剂，水泥为粘结剂，按照4:1:5的质量比分别称取后混合，按照1:1的水料比加入适量自来水，充分搅拌，直至完全混合均匀；将得到的泥浆状固体物涂抹在石墨纸上，并用模具压制成规整且表面光滑的薄片，然后放置于混凝土养护箱中，在90%湿度和25℃温度下养护3天，获得石墨粉-活性炭-水泥复合材料电极；
2)一个采用电化学沉积法制备pt-bi石墨粉-活性炭-水泥复合材料电极的步骤，
以制备活性炭电极作为工作电极，铂电极作为辅助电极，ag/agcl电极作为参比电极，将50ml含0.5g/l的h2ptcl6、0.5mmol/l的bi(no)3、2g/l的柠檬酸和质量百分比浓度为1％hno3的溶液作为沉积液，在-0.8v恒定电位下电沉积240s，将电沉积好的电极放置在鼓风干燥箱中，在40℃下恒温干燥，即可得到负载pt-bi石墨粉-活性炭-水泥复合材料电极。
实施例2
利用本发明方法快速降解废水中甲基橙的实例。
通过三电极体系电化学降解甲基橙，以pt-bi/c电极为工作电极，以钛网为辅助电极，以ag/agcl（饱和）为参比电极，在150r/min转速搅拌下，以150ml浓度为20mg/l的甲基橙为降解对象，施加方波电位[上电位（eu）和下电位（el）分别为1.5v和-1.5v，交替周期（t）为1min]，每隔30min用分光光度计测定一次甲基橙浓度。
计算得出甲基橙降解速率为76.62%，经过四个周期的重复降解实验后，电极的降解率降至约55%，分别明显低于pt-bi/c双金属碳纸电极95.8%和约80%的降解率，但能够满足cod超标不多的废水处理要求。pt-bi碳纸电极成本为13.03元，pt-bi负载石墨粉-活性炭-水泥电极的成本为8.27元，成本较pt-bi碳纸电极降低了36.53%。
对比负载pt-bi的石墨粉-活性炭-聚四氟乙烯复合电极，此新型电极的降解率为76.62%，经过四个周期的重复降解实验后，电极的降解率降至约55%，分别明显低于pt-bi/c双金属电极95.6%和约80%的降解率，但能够满足cod超标不多的废水处理要求，且不存在电解过程中有机粘结剂的析出问题，能确保废水toc达标，其成本下降3%。