一种活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极、制备方法及其应用

本发明涉及电化学催化氧化水处理，具体为一种活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极、制备方法及其应用。

背景技术：

1、医疗废水中含有大量抗生素，抗生素是用于治疗人畜被各种细菌感染所致疾病的药物。根据其抗菌功能和效果的不同可分为五大类：喹诺酮类、磺胺类、四环素类、β-内酰胺类、大环内酯类、氨基糖苷类抗生素等。其中氧氟沙星作为喹诺酮类抗生素的代表性药物。

2、氧氟沙星等抗生素由于自身性质的稳定性，难以在水环境中被光解和难以在沉积物中被生物降解的特性，对我们所生活的环境造成潜在的巨大威胁。高级氧化技术反应速度较快，氧化能力较强，反应体系中的氧化剂产生的自由基可将大分子有机物化学键裂解为小分子有机物，或者矿化成无机物co2和h2o，基于过硫酸盐的高级氧化技术因其对废水中污染物的高降解能力被认为是最有前途的抗生素处理技术之一。过硫酸盐具有过氧键，与过氧化氢的结构类似，必须通过活化产生具有强氧化性的活性氧来降解抗生素等有机污染物，因此，目前过硫酸盐的高级氧化技术的发展重点集中在过硫酸盐活化方式的选择和改进。常见的物理活化法如紫外照射、加热、超声等均可有效实现过硫酸盐的活化，但需要额外的能量投入；过渡金属氧化物也可有效活化过硫酸盐，但其循环稳定性和催化性能仍有待进一步提升。因此开发高效稳定的过硫酸盐活化方式仍是重要的研究课题。

3、电化学活化过硫酸盐是一种环境友好的方法，但是目前电化学活化过硫酸盐还存在活化效率不够高以及电极金属离子浸出导致二次污染的问题，因此，开发一种高效的且有效降低金属离子浸出的阴极是非常重要的研究方向。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的不足，本发明提供一种活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极、制备方法及其应用，该制备方法制备的阴极具有良好的稳定性，电化学性能优异，可以高效活化过硫酸盐，同时存在阴极金属离子浸出低的特点，不会产生二次污染。

2、具体而言，本发明提供一种活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：

3、s1：将泡沫镍预处理；

4、s2：将预处理的泡沫镍在强氧化剂和表面活性剂的存在下，通过水热反应，合成得到ni/ni(oh)2阴极；

5、s3：将所述ni/ni(oh)2阴极进一步在葡萄糖存在下进行水热合成反应，反应结束后，得到ni/ni(oh)2@c6h12o6阴极；

6、s4：将ni/ni(oh)2@c6h12o6阴极在惰性气体氛围下碳化得到活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极。

7、在本发明的一些具体实施方案中，所述s2中的强氧化剂为高锰酸钾，表面活性剂为聚乙二醇400。

8、在本发明的一些具体实施方案中，所述s1-s4的具体处理过程如下：

9、s1：将泡沫镍先后经盐酸超声和丙酮浸泡后，依次使用去离子水和无水乙醇洗涤后，烘箱烘干得到预处理后的泡沫镍；

10、s2：将s1预处理后泡沫镍置于高锰酸钾和聚乙二醇400混合水溶液中，然后再反应釜中进行水热反应，反应结束后将得到的阴极进行洗涤干燥，得到ni/ni(oh)2阴极；

11、s3：将s2制备得到的ni/ni(oh)2阴极放入葡萄糖溶液中，于反应釜中再次水热反应，反应结束后，将电极使用去离子水和无水乙醇交替洗涤，然后烘干干燥后，得到ni/ni(oh)2@c6h12o6阴极；

12、s4：将s3制备得到的ni/ni(oh)2@c6h12o6阴极放入管式炉于氮气氛围下碳化得到活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极。

13、在本发明的一些具体实施方案中，所述s1步骤中的盐酸浓度为0.5-2mol/l，超声时间为10-20min，丙酮浸泡时间为10-20min。

14、在本发明的一些具体实施方案中，所述s2步骤中的高锰酸钾和聚乙二醇400混合水溶液配置过程为：首先配置浓度为0.5-3.0g/l高锰酸钾水溶液，搅拌，然后加入聚乙二醇400，继续搅拌，混合均匀；所述聚乙二醇400与水的体积比为v高锰酸钾：v聚乙二醇400＝(0.75-10)：1。

15、在本发明的一些具体实施方案中，所述s2步骤中的水热反应的温度为150-170℃，反应时间为10-14h。

16、在本发明的一些具体实施方案中，所述s3步骤中的水热反应的温度为160-180℃，反应时间为6-10h，葡萄糖溶液的浓度为5-25g/l。

17、在本发明的一些具体实施方案中，所述s3步骤中洗涤为使用去离子水和无水乙醇交替洗涤3次，所述烘干为40-80℃烘箱中烘干。

18、在本发明的一些具体实施方案中，所述s4步骤中的碳化具体步骤为：将s3制备得到的ni/ni(oh)2@c6h12o6阴极放入管式炉于氮气氛围下，然后将温度加热到450-550℃，升温速率1-10℃/min；将温度保持在450-550℃，持续3-5h；加热结束后，将温度降低至室温，降温速率1-10℃/min。

19、本发明还提供了一种基于活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极，所述阴极包括基底和原位生长于基底表面的nio@c材料；所述阴极由上述任一项活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极的制备方法制备而成。

20、本发明还提供了上述任一项活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极的制备方法制备而成的阴极或上述活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极在活化过硫酸盐降解水中有机物中的应用。

21、在本发明的一些具体实施方案中，所述有机物为抗生素。

22、在本发明的一些具体实施方案中，所述抗生素为氧氟沙星。

23、本发明还提供了一种穿透式电活化过硫酸盐反应装置，包括绝缘外壳、ni/nio@c阴极、碳毡阳极和电极隔板，所述ni/nio@c阴极为上述任一项活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极的制备方法制备而成的电化学阴极或上述活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极。

24、对比现有技术，本发明的有益效果在于：

25、1.采用泡沫镍原位生长nio的电极比泡沫镍表面负载nio电极材料稳定性更好，nio在电极表面更加牢固，电极抗冲击性能更强。

26、2.c掺杂得到的ni/nio@c和ni/ni(oh)2相比具有更小的电化学阻抗和更低的镍离子浸出，电极电化学性能更加优异。

27、3.本发明的所制备的ni/nio@c阴极具有活化过硫酸盐能力强，稳定性好和能耗低等特点，可以实现水中抗生素的高效去除。

28、4、将本发明的所制备的ni/nio@c阴极应用于过硫酸盐高级氧化处理抗生素废水中，作为穿透式阴极，过流式操作模式可以大大提高传质效率。

技术特征：

1.一种活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：

2.如权利要求1所述的活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极的制备方法，其特征在于，所述s1-s4的具体处理过程如下：

3.如权利要求2所述的活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极的制备方法，其特征在于，所述s1步骤中的盐酸浓度为0.5-2mol/l，超声时间为10-20min，丙酮浸泡时间为10-20min。

4.如权利要求2所述的活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极的制备方法，其特征在于，所述s2步骤中的高锰酸钾和聚乙二醇400混合水溶液配置过程为：首先配置浓度为0.5-3.0g/l高锰酸钾水溶液，搅拌，然后加入聚乙二醇400，继续搅拌，混合均匀；所述聚乙二醇400与高锰酸钾水溶液的体积比为v高锰酸钾：v聚乙二醇400＝(0.75-10)：1。

5.如权利要求2所述的活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极的制备方法，其特征在于，所述s2步骤中的水热反应的温度为150-170℃，反应时间为10-14h。

6.如权利要求2所述的活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极的制备方法，其特征在于，所述s3步骤中的水热反应的温度为160-180℃，反应时间为6-10h，葡萄糖溶液的浓度为5-25g/l。

7.如权利要1-6任一项所述的活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极的制备方法，其特征在于，所述s4步骤中的碳化具体步骤为：将s3制备得到的ni/ni(oh)2@c6h12o6阴极放入管式炉于氮气氛围下，然后将温度加热到450-550℃，升温速率1-10℃/min；将温度保持在450-550℃，持续3-5h；加热结束后，将温度降低至室温，降温速率1-10℃/min。

8.一种活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极，其特征在于，所述阴极包括基底和原位生长于基底表面的nio@c材料；所述阴极由权利要求1-7任一项活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极的制备方法制备而成。

9.如权利要求1-7任一项活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极的制备方法制备而成的电化学阴极或权利要求8所述活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极在活化过硫酸盐降解水中有机物中的应用。

10.一种穿透式电活化过硫酸盐反应装置，包括绝缘外壳、ni/nio@c阴极、碳毡阳极和电极隔板，所述ni/nio@c阴极为权利要求1-7任一项活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极的制备方法制备而成的电化学阴极或权利要求8所述活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极。

技术总结
本发明公开了一种活化过硫酸盐降解水中有机物的电化学阴极、制备方法及其应用，涉及电化学催化氧化水处理技术领域。本发明的电化学阴极制备包括以下步骤：将泡沫镍(NF)经盐酸超声和丙酮预处理后，将预处理后的泡沫镍置于高锰酸钾和聚乙二醇400混合溶液于反应釜中水热反应，反应结束后将其洗涤干燥后，得到Ni/Ni(OH)<subgt;2</subgt;阴极，再将Ni/Ni(OH)<subgt;2</subgt;阴极和葡萄糖溶液置于反应釜中再次水热反应，反应结束后，将电极使用去离子水和无水乙醇交替洗涤干燥后，最后将电极置于管式炉中于氮气氛围下碳化后得到所述Ni/NiO@C阴极。本发明制备的Ni/NiO@C阴极具有良好的稳定性，电化学性能优异，可以高效活化过硫酸盐，氧氟沙星单次流过阴极可以实现80.4％的高效去除，同时存在镍离子浸出低的特点，不会产生二次污染。

技术研发人员：王皓企,闫涛,王荣帅,刘庆,赵晓帅,杨焱明,赵艳侠,孙蒙,冯锐,魏东,闫良国
受保护的技术使用者：济南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/8