一种碳陶瓷壳核型三维粒子电极及其制备方法与流程

本发明涉及环保
技术领域：
，特别涉及一种碳陶瓷壳核型三维粒子电极及其制备方法。
背景技术：
：随着我国的经济的高速发展，尤其是在化工领域，产生的废物也随之增多，对环境造成的污染也日益严重，尤其是一些高浓度、难生化降解、有急性或慢性毒性的有机污染物及高浓度氨氮废水的排放量急剧增加对环境造成的污染是不可逆的。传统的废水处理方法主要有：物理法、化学法和生物法。其中物理法主要包括吸附法和萃取法，用物理法处理废水的优点在于操作简单、适用范围广、处理费用低，但难以彻底处理且容易造成二次污染，在处理高浓度污染物的废水方面受到了限制；化学法主要包括氧化法和还原法，传统的化学氧化法，虽然最终可以达到处理目的，但是处理费用高且操作复杂；生物法是最经济、处理效率较高且环保的处理方法，但它只适合用来处理生物相容性的有机物，但是大多数工业废水具有生物毒性，直接处理受到了限制。电化学氧化法是一种高级氧化技术，具有无二次污染、可控性较强、能耗低、反应设备及其操作简单并且兼具有气浮、絮凝、杀菌等作用，被誉为环境友好的绿色技术，正越来越受到重视。电催化氧化技术在处理工业废水时，无需添加其他药剂，可以将难降解有机物或生物毒性污染物转化为可生物降解或无毒物质，提高废水的可生化性，从而利于后续的生物处理。其机理，主要是通过产生羟基自由基等具有强氧化性的活性基团对废水中的污染物进行氧化降解，处理时间短，容易操作。综上，电催化氧化水处理技术在处理高浓度、难生化降解工业废水方面具有绿色且高效的特点。电化学氧化法分为传统的二维电极法和新的三维电极法，三维电极电催化氧化技术的核心是电极材料，三维电极的性能决定了电催化氧化的处理效率以及成本。因此，目前电催化氧化技术的研究重点是探索和制备综合性能好的电催化材料。传统电极材料的电阻较大、导电率低，运用在实际废水处理中，使电流效率低降低，稳定性差、寿命短、电极材料制备过程复杂及制备成本较高，再者活性炭材料，虽然处理效果较好，因其价格昂贵，功能单一，也限制了其在废水处理中的实际应用，因此，探索研究和制备一种新型三维电极材料是解决问题的关键。技术实现要素：发明的目的在于提供一种碳陶瓷壳核型三维粒子电极及其制备方法，该碳陶瓷壳核型三维粒子电极催化活性高、单位化学需氧量耗能低、活性组分不易流失、连续使用寿命长，制备方法过程简单，价格低廉，适用性强，以解决上述
背景技术：
中提出的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种碳陶瓷壳核型三维粒子电极，包括由阳极板、电解槽、阴极板、碳陶瓷壳核型三维粒子电极、蠕动泵以及电源组成的三维电催化氧化装置，碳陶瓷壳核型三维粒子电极放置在电解槽内，堆积的碳陶瓷壳核型三维粒子电极的两侧贴附在阳极板和阴极板上，阳极板连接在电源的正极，阴极板连接在电源的负极，所述电解槽通过导管连接蠕动泵；碳陶瓷壳核型三维粒子电极包括陶土15wt％-30wt％、煤粉的堆密度为0.45t/m3-0.5t/m3、含量为煤粉的1wt％-9wt％的金属盐。进一步地，所述金属盐为锌7wt％-30wt％、铜3wt％-30wt％、镍5wt％-20wt％、铈1wt％-20wt％、钴7wt％-15wt％、铁11wt％-30wt％、锡1wt％-5wt％、锑3wt％-5wt％，各组分重量百分数之和为100％。进一步地，所述碳陶瓷壳核型三维粒子电极为直径5-10mm的球状粒子。进一步地，所述阳极板为镀钌、铱、钽的钛钢板，阴极板为钛钢板，尺寸均为100mm×100mm×1mm，电解槽为厚度10mm聚丙烯自制，电源为脉冲直流电源。本发明提供另一种技术方案：一种碳陶瓷壳核型三维粒子电极的制备方法，包括如下步骤：步骤1、在团粒机中先按煤粉质量的1wt％-9wt％的金属盐混合均匀；步骤2、喷洒粘黏剂，使其团成5-10mm的球状粒子，再喷洒粘黏剂，使的粘黏剂均匀的附在球状粒子的表面；步骤3、加入15wt％-30wt％的陶土，最后使陶土均匀的附在球状粒子的表面，干燥、焙烧，即成。进一步地，金属盐中锌的加入形式为硝酸锌、硫酸锌、氯化锌或氧化锌中的一种，铜的加入形式为硝酸铜、氯化铜、碳酸铜或硫酸铜中的一种，镍的加入形式为氧化镍、硫酸镍、氯化镍或硝酸镍中的一种，铈的加入形式为硝酸铈、硫酸铈、氧化铈或氯化亚铈中的一种，钴的加入形式为硝酸钴、硫酸钴、氯化钴或氧化钴中的一种，铁的加入形式为硫酸亚铁、硫酸铁、氯化亚铁、氯化铁或氧化铁中的一种，锡的加入形式为硫酸亚锡、氯化锡，锑的加入形式为氯化锑或氧化锑中的一种。进一步地，所述粘黏剂为一定浓度的非离子聚丙烯酰胺水溶液。进一步地，干燥温度为80℃-120℃，干燥时间为12h-24h。进一步地，焙烧温度为900℃-1200℃，焙烧时间为1h-3h。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的碳陶瓷壳核型三维粒子电极及其制备方法，采用将金属组分参杂入煤粉中，将煤粉与金属盐在团粒机中混合均匀；喷洒粘黏剂，使其团成球状粒子，再喷洒用一定浓度的非离子聚丙烯酰胺水溶液粘黏剂，使的粘黏剂均匀的附在球状粒子的表面；加入陶土，最后使陶土均匀的附在球状粒子的表面，在烘箱中干燥，再在马弗炉中焙烧，即成，制成的碳陶瓷壳核型三维粒子电极相比较二维电极，具有催化活性高、活性组分不易流失、连续使用寿命长等优点，并且其制备过程简单，价格低廉，适用性强，特别适用于难生化降解的的废水，处理后的废水达标或者可以达到可生化处理的标准。附图说明图1为本发明的三维电催化氧化装置示意图；图2为本发明的二维和三维电极电催化氧化降解有机物的效果对比图。图中：1、阳极板；2、电解槽；3、阴极板；4、碳陶瓷壳核型三维粒子电极；5、蠕动泵；6、电源。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1碳陶瓷壳核型三维粒子电极4包括陶土15wt％、煤粉的堆密度为0.45t/m3-0.5t/m3、含量为煤粉的1wt％的金属盐。一种碳陶瓷壳核型三维粒子电极的制备方法，包括如下步骤：参杂金属组分入煤粉中，金属盐的含量为煤粉的1wt％，其中硝酸锌的量为总金属盐的量的为20wt％，硫酸铜的量为总金属盐的量的为25wt％，氧化镍的量为总金属盐的量的为15wt％，硫酸钴的量为总金属盐的量的为10wt％，硫酸亚铁的量为总金属盐的量的为20wt％，硫酸亚锡的量为总金属盐的量的为5％，氧化锑的量为总金属盐的量的为5wt％，将煤粉与金属盐在团粒机中混合均匀；喷洒粘黏剂，使其团成5-10mm的球状粒子，再喷洒用一定浓度的非离子聚丙烯酰胺水溶液粘黏剂，使的粘黏剂均匀的附在球状粒子的表面；加入15wt％的陶土，最后使陶土均匀的附在球状粒子的表面，在烘箱中以100℃的温度干燥24h，再在马弗炉中以800℃的温度焙烧2h，即成。实施例2碳陶瓷壳核型三维粒子电极4包括陶土20wt％、煤粉的堆密度为0.45t/m3-0.5t/m3、含量为煤粉的3wt％的金属盐。一种碳陶瓷壳核型三维粒子电极的制备方法，包括如下步骤：参杂金属组分入煤粉中，金属盐的含量为煤粉的3wt％，其中硫酸锌的量为总金属盐的量的为20wt％，氯化铜的量为总金属盐的量的为25wt％，硫酸镍的量为总金属盐的量的为15wt％，硝酸钴的量为总金属盐的量的为10wt％，硫酸亚铁的量为总金属盐的量的为20wt％，硫酸亚锡的量为总金属盐的量的为5％，氧化锑的量为总金属盐的量的为5wt％，将煤粉与金属盐在团粒机中混合均匀；喷洒粘黏剂，使其团成5-10mm的球状粒子，再喷洒用一定浓度的非离子聚丙烯酰胺水溶液粘黏剂，使的粘黏剂均匀的附在球状粒子的表面；加入20wt％的陶土，最后使陶土均匀的附在球状粒子的表面，在烘箱中以100℃的温度干燥24h，再在马弗炉中以800℃的温度焙烧2h，即成。实施例3碳陶瓷壳核型三维粒子电极4包括陶土20wt％、煤粉的堆密度为0.45t/m3-0.5t/m3、含量为煤粉的5wt％的金属盐。一种碳陶瓷壳核型三维粒子电极的制备方法，包括如下步骤：参杂金属组分入煤粉中，金属盐的含量为煤粉的5wt％，其中硫酸锌的量为总金属盐的量的为20wt％，氯化铜的量为总金属盐的量的为25wt％，硫酸镍的量为总金属盐的量的为15wt％，硝酸钴的量为总金属盐的量的为10wt％，硫酸亚铁的量为总金属盐的量的为20wt％，硫酸亚锡的量为总金属盐的量的为5％，氧化锑的量为总金属盐的量的为5wt％，将煤粉与金属盐在团粒机中混合均匀；喷洒粘黏剂，使其团成5-10mm的球状粒子，再喷洒用一定浓度的非离子聚丙烯酰胺水溶液粘黏剂，使的粘黏剂均匀的附在球状粒子的表面；加入20wt％的陶土，最后使陶土均匀的附在球状粒子的表面，在烘箱中以100℃的温度干燥24h，再在马弗炉中以800℃的温度焙烧2h，即成。实施例4碳陶瓷壳核型三维粒子电极4包括陶土25wt％、煤粉的堆密度为0.45t/m3-0.5t/m3、含量为煤粉的7wt％的金属盐。一种碳陶瓷壳核型三维粒子电极的制备方法，包括如下步骤：参杂金属组分入煤粉中，金属盐的含量为煤粉的7wt％，其中氯化锌的量为总金属盐的量的为20wt％，碳酸铜的量为总金属盐的量的为25wt％，氯化镍的量为总金属盐的量的为15wt％，氯化钴的量为总金属盐的量的为10wt％，硫酸铁的量为总金属盐的量的为20wt％，氯化锡的量为总金属盐的量的为5％，氯化锑的量为总金属盐的量的为5wt％，将煤粉与金属盐在团粒机中混合均匀；喷洒粘黏剂，使其团成5-10mm的球状粒子，再喷洒用一定浓度的非离子聚丙烯酰胺水溶液粘黏剂，使的粘黏剂均匀的附在球状粒子的表面；加入25wt％的陶土，最后使陶土均匀的附在球状粒子的表面，在烘箱中以100℃的温度干燥24h，再在马弗炉中以800℃的温度焙烧2h，即成。实施例5碳陶瓷壳核型三维粒子电极4包括陶土25wt％、煤粉的堆密度为0.45t/m3-0.5t/m3、含量为煤粉的9wt％的金属盐。一种碳陶瓷壳核型三维粒子电极的制备方法，包括如下步骤：参杂金属组分入煤粉中，金属盐的含量为煤粉的9wt％，其中氧化锌的量为总金属盐的量的为20wt％，硫酸铜的量为总金属盐的量的为25wt％，硝酸镍的量为总金属盐的量的为15wt％，硫酸钴的量为总金属盐的量的为10wt％，硫酸铁的量为总金属盐的量的为20wt％，硫酸亚锡的量为总金属盐的量的为5％，氯化锑的量为总金属盐的量的为5wt％，将煤粉与金属盐在团粒机中混合均匀；喷洒粘黏剂，使其团成5-10mm的球状粒子，再喷洒用一定浓度的非离子聚丙烯酰胺水溶液粘黏剂，使的粘黏剂均匀的附在球状粒子的表面；加入25wt％的陶土，最后使陶土均匀的附在球状粒子的表面，在烘箱中以100℃的温度干燥24h，再在马弗炉中以800℃的温度焙烧2h，即成。实施例6碳陶瓷壳核型三维粒子电极4包括陶土30wt％、煤粉的堆密度为0.45t/m3-0.5t/m3、含量为煤粉的5wt％的金属盐。一种碳陶瓷壳核型三维粒子电极的制备方法，包括如下步骤：参杂金属组分入煤粉中，金属盐的含量为煤粉的9wt％，其中氯化锌的量为总金属盐的量的为20wt％，硫酸铜的量为总金属盐的量的为25wt％，硝酸镍的量为总金属盐的量的为15wt％，硫酸钴的量为总金属盐的量的为10wt％，氧化铁的量为总金属盐的量的为20wt％，硫酸亚锡的量为总金属盐的量的为5％，氯化锑的量为总金属盐的量的为5wt％，将煤粉与金属盐在团粒机中混合均匀；喷洒粘黏剂，使其团成5-10mm的球状粒子，再喷洒用一定浓度的非离子聚丙烯酰胺水溶液粘黏剂，使的粘黏剂均匀的附在球状粒子的表面；加入30wt％的陶土，最后使陶土均匀的附在球状粒子的表面，在烘箱中以100℃的温度干燥24h，再在马弗炉中以1000℃的温度焙烧2h，即成。实施例7碳陶瓷壳核型三维粒子电极4包括陶土30wt％、煤粉的堆密度为0.45t/m3-0.5t/m3、含量为煤粉的1wt％的金属盐。一种碳陶瓷壳核型三维粒子电极的制备方法，包括如下步骤：参杂金属组分入煤粉中，金属盐的含量为煤粉的1wt％，其中氯化锌的量为总金属盐的量的为20wt％，氯化铜的量为总金属盐的量的为25wt％，硝酸镍的量为总金属盐的量的为15wt％，氧化钴的量为总金属盐的量的为10wt％，硫酸铁的量为总金属盐的量的为20wt％，硫酸亚锡的量为总金属盐的量的为5％，氧化锑的量为总金属盐的量的为5wt％，将煤粉与金属盐在团粒机中混合均匀；喷洒粘黏剂，使其团成5-10mm的球状粒子，再喷洒用一定浓度的非离子聚丙烯酰胺水溶液粘黏剂，使的粘黏剂均匀的附在球状粒子的表面；加入30wt％的陶土，最后使陶土均匀的附在球状粒子的表面，在烘箱中以100℃的温度干燥24h，再在马弗炉中以1000℃的温度焙烧1h，即成。一种碳陶瓷壳核型三维粒子电极，包括由阳极板1、电解槽2、阴极板3、碳陶瓷壳核型三维粒子电极4、蠕动泵5以及电源6组成的三维电催化氧化装置(如图1)，碳陶瓷壳核型三维粒子电极4放置在电解槽2内，碳陶瓷壳核型三维粒子电极4为直径5-10mm的球状粒子，堆积的碳陶瓷壳核型三维粒子电极4的两侧贴附在阳极板1和阴极板3上，阳极板1连接在电源6的正极，阴极板3连接在电源6的负极，通过电源6为阳极板1和阴极板3供电，使碳陶瓷壳核型三维粒子电极4在电解槽2内产生电解，阳极板1为镀钌、铱、钽的钛钢板，阴极板3为钛钢板，尺寸均为100mm×100mm×1mm，电解槽2为厚度10mm聚丙烯自制，电源6为脉冲直流电源，电解槽2通过导管连接蠕动泵5，由蠕动泵5为电解槽2提供电解液并控制其流量。选用镀钌、铱、钽氧化物的钛钢板做为阳极，选用钛钢板做为阴极，将制备好的三维电极填料填充在阴阳极板之间，形成三维电催化氧化体系(参见图1)。在槽电压为15v，曝气量为1l/min，进水初始ph在6-7，反应120min，每30min取样进行codcr的检测分析。对tpaoh模拟废水，codcr为1424.26mg/l。其中二维电极的极板同样选用镀钌、铱、钽氧化物的钛钢板做为阳极，选用钛钢板做为阴极，在同样的条件下对tpaoh模拟废水进行处理。上述处理效果见图2，与传统的二维电催化相比较，加入上述各实施例三维电极填料形成的三维电催化氧化体系，虽然各自之间处理效果有差异，但都表现出了更好的处理效果。如图2，横轴表示反应时间，单位为：min；纵轴表示废水codcr去除率，单位为：％；—■—代表二维电极的电催化氧化体系的codcr去除率；—●—代表实施例1三维电极电填料组成的三维电极体系的codcr去除率；—▲—代表实施例2三维电极电填料组成的三维电极体系的codcr去除率；—★—代表实施例3三维电极电填料组成的三维电极体系的codcr去除率；—◆—代表实施例4三维电极电填料组成的三维电极体系的codcr去除率；—☆—代表实施例5三维电极电填料组成的三维电极体系的codcr去除率；—◇—代表实施例6三维电极电填料组成的三维电极体系的codcr去除率；—○—代表实施例7三维电极电填料组成的三维电极体系的codcr去除率。进过150min处理后的水质变化见表1表1tpaoh模拟废水处理后的水质二维实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6实施例7codcr(mg/l)982.5664.3459.6260.3264.5263.3302.0594.4从上表可以看出，二维电极电催化处理效果不佳，codcr仍然很高，远远不能达到处理标准；而加入三维电极填料形成的三维电催化体系，codcr降低了很多，而且在更短的时间内达到可排放的标准。综上所述，本发明提出的碳陶瓷壳核型三维粒子电极及其制备方法，采用将金属组分参杂入煤粉中，将煤粉与金属盐在团粒机中混合均匀；喷洒粘黏剂，使其团成球状粒子，再喷洒用一定浓度的非离子聚丙烯酰胺水溶液粘黏剂，使的粘黏剂均匀的附在球状粒子的表面；加入陶土，最后使陶土均匀的附在球状粒子的表面，在烘箱中干燥，再在马弗炉中焙烧，即成，制成的碳陶瓷壳核型三维粒子电极4相比较二维电极，具有催化活性高、活性组分不易流失、连续使用寿命长等优点，并且其制备过程简单，价格低廉，适用性强，特别适用于难生化降解的的废水，处理后的废水达标或者可以达到可生化处理的标准。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页12