一种基于单电子催化产生二氧化氯的污染物氧化方法、系统及应用

本发明属于环境科学与电化学的，具体涉及一种基于单电子催化产生二氧化氯的污染物氧化方法、系统及应用。

背景技术：

1、二氧化氯（clo2）是一种是国际上公认的高效、快速、安全无毒的杀菌消毒剂。电解法氧化产生二氧化氯是一种高效、占地面积小、工艺简单的二氧化氯制备方法，适用于小型化和自动化。所产生的二氧化氯可用于水质消毒、污染物氧化和漂白等行业有较为广阔的应用前景。目前采用电解法产生二氧化氯根据原料的不同可分为氯酸盐法、食盐法和亚氯酸盐法。利用氯酸盐电解制备二氧化氯时，当阴极电解液中氯酸盐浓度低于0.6 mol/l时，就会出现亚氯酸根离子的酸性歧化，导致产物不纯，且该过程反应条件控制较为严苛，需加入酸性介质；在食盐法中，由于在电解时其阳极存在析氧过电位，抑制了反应过程，使产物二氧化氯浓度偏低；电解亚氯酸盐制备二氧化氯中，离子交换膜的选择至关重要，而对电化学膜材料的高要求使制备二氧化氯的成本增加。

2、可见，目前的电解法产生二氧化氯地方法不同程度地普遍存在下列问题：

3、（1）产物纯度低，实际为多种氧化物质的混合物。用此混合物进行污染物氧化或水消毒，将产生卤代有机物等二次污染；

4、（2）需要外加化学物质或强酸用于调节ph值。

5、（3）需要电化学膜材料，增加了装置和运行成本。

6、目前而言，基于二氧化氯的电催化氧化技术均不同程度地存在上述的产品纯度、需要外加强酸或需要电化学膜材料等不足和技术瓶颈。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于单电子催化产生二氧化氯的污染物氧化方法、系统及应用，旨在克服上述现有技术存在的缺陷。本发明通过合理设计并构建出具有单电子活化亚氯酸盐产生二氧化氯的电化学系统，在一定的运行条件下，用于污染物的氧化，利用亚氯酸盐的单电子活化产生二氧化氯，与污染物反应后被还原被亚氯酸根离子，并在阳极表面再次活化，以此循环。该电化学方法可以产生二氧化氯，并可以累积一定的浓度，从而实现对污染物的氧化去除。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于单电子催化产生二氧化氯的污染物氧化方法，通过单电子氧化途径将亚氯酸盐氧化，从而形成二氧化氯，氧化污染物后形成亚氯酸盐并在电极表面再次活化，以此循环，且电极表面不发生析氧竞争反应。本发明在不添加隔膜材料和机械搅拌的情况下，采用具有高析氧电位的电催化阳极材料（如硼掺杂金刚石、氧化铅等），在电位控制不超过阳极材料的析氧电位条件下，通过单电子氧化途径将亚氯酸盐氧化形成二氧化氯，二氧化氯氧化污染物的同时形成亚氯酸盐/亚氯酸根离子，并再次在阳极表面被活化，以此循环，且电极表面不发生析氧竞争反应。

4、一种基于单电子催化产生二氧化氯的污染物氧化系统，包括阳极、阴极、参比电极和支撑电解质，且不包括电化学隔膜；其中，阳极材料析氧电位大于2.0 v（vs she），阴极材料为导电碳材料或金属材料，参比电极为银/氯化银或饱和甘汞电极，所述的支撑电解质包含亚氯酸根离子或亚氯酸盐。优选地，所述的支撑电解质包含亚氯酸根离子或亚氯酸盐（0.01 ~ 5.0 mol/l）。电化学系统可根据实际需要，增加参比电极，参比电极优选为饱和甘汞电极和银/氯化银电极。

5、一种基于上述的污染物氧化系统的应用，采用该系统用于二氧化氯的原位产生，系统的运行条件为：恒电压条件施加电压为0.8 ~ 1.8 v（vs sce）；脉冲电位条件下，施加电位范围为-1.5 ~ 3.0 v（vs sce），占空比1：100 ~ 100：1，脉冲宽度10-6~ 102s；电极面积为0.1 ~ 100 m2/t；电极距离为0.5 ~ 50 cm；电解液中亚氯酸根离子浓度为0.01 ~ 5.0mol/l。其中，在脉冲电位条件下，施加电位范围为-1.5 ~ 3.0 v（vs sce）且小于阳极材料的析氧电位。

6、本发明所采用的单电子产生二氧化氯氧化污染物的方法，尤其适用于微污染物去除，以及农村饮用水安全工程。本发明所采用的单电子活化方法，所需要的电流密度极低，在仅10-1~10-3ma/cm2的电流密度条件下，仍然能够实现四环素、磺胺甲噁唑等典型养殖废水中抗生素的有效去除。

7、与现有技术相比，本发明具有以下特点：

8、1）本发明所采用的电化学方法在产生二氧化氯时无需外加氧化还原试剂，不需要在强酸条件下进行，减少了成本，增加了安全性。

9、2）本发明所采用的电化学方法利用单电子氧化活化产生二氧化氯，其副反应少，电子和电能的效率较高；

10、3）本发明所采用的电化学系统不含有基于含氟化合物的离子交换膜等电化学膜有机材料，减少了成本和二次污染。

11、4）本发明所采用电化学系统的应用方便，易于实现自动化，电能消耗较低。

技术特征：

1.一种基于单电子催化产生二氧化氯的污染物氧化方法，其特征在于，通过单电子氧化途径将亚氯酸盐氧化，从而形成二氧化氯，氧化污染物后形成亚氯酸盐并在电极表面再次活化，以此循环，且电极表面不发生析氧竞争反应。

2.一种基于单电子催化产生二氧化氯的污染物氧化系统，采用权利要求1所述的方法进行，其特征在于，包括阳极、阴极、参比电极和支撑电解质，且不包括电化学隔膜；其中，阳极材料析氧电位大于2.0 v（vs she），阴极材料为导电碳材料或金属材料，参比电极为银/氯化银或饱和甘汞电极，所述的支撑电解质包含亚氯酸根离子或亚氯酸盐。

3.一种基于权利要求2所述的污染物氧化系统的应用，其特征在于，采用该系统用于二氧化氯的原位产生，系统的运行条件为：恒电压条件施加电压为0.8 ~ 1.8 v（vs sce）；脉冲电位条件下，施加电位范围为-1.5 ~ 3.0 v，占空比1：100 ~ 100：1，脉冲宽度10-6 ~ 102s；电极面积为0.1 ~ 100 m2/t；电极距离为0.5 ~ 50 cm；电解液中亚氯酸根离子浓度为0.01 ~ 5.0 mol/l。

技术总结
本发明公开了一种基于单电子催化产生二氧化氯的污染物氧化方法、系统及应用。采用高析氧电位的电化学阳极材料电催化亚氯酸盐离子，通过单电子转移途径将亚氯酸盐电催化产生二氧化氯，二氧化氯氧化污染物后被还原为亚氯酸根离子，并再次在阳极处被活化为二氧化氯，以此循环。与现有技术相比，本发明的电化学方法施加电压低，电流密度小，pH值适用范围宽，无需外加化学试剂，不用隔膜材料，且不存在析氧竞争反应，具有法拉第效率高，电能消耗较低的特点。

技术研发人员：蔡郡倬,冉一伽,李逸轩
受保护的技术使用者：四川农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14