[发明专利]一种负载铁离子活性炭纤维复合阴极、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及处理水及废水中难降解有机污染物的应用，具体涉及一种负载铁离子活性炭纤维复合阴极、制备方法及其应用。

背景技术

常规生物处理后二级出水中的有机物，一部分为难生物降解的有机物，另一部分为生物自身代谢产物以及生物本身的不完全分解产物，这部分物质具有腐殖酸类物质的结构特点。

其中难降解有机污染物是水环境污染的主要来源之一，由于其大多数具有生物毒性而不能被常规生物处理工艺所降解，而吸附法仅实现了这类污染物的相转移，并没有从环境中去除。具有代表性的三苯甲烷类染料孔雀石绿(MG)，具有高毒性，高残留和致癌、致畸、致突变等毒副作用，且排放量大，难以实现常规生物降解。

而腐殖酸(HA)作为一类由动物残骸不完全分解而得到的有机物，不仅是造成色度、异臭味、配水管腐蚀和沉淀物的原因物质，也是氯消毒副产物三氯甲烷的前驱体，而三氯甲烷已确认为致癌物质。因此，降低水中HA的含量，改进水质是一项非常迫切的任务。已有对水中HA的去除方法以混凝沉淀法和膜技术为主，但是这两类方法仅实现了对污染物的相转移，而没有从环境中去除。

故将MG和HA作为目标污染物，探索出对难生物降解有机物和腐殖酸类污染物具有高效、低能耗、快速简单的处理方法，无疑有着重要的意义。

以芬顿(Fenton)反应为代表的高级氧化过程产生强氧化能力的羟基自由基(·OH)，它与有机物的反应具有很低的选择性，矿化效率高，从而成为降解甚至矿化难降解有机污染物的强有力技术。但传统的芬顿法需通过外加H₂O₂、金属催化剂来产生·OH，其中H₂O₂的运输和储存等会增加过程费用和操作风险，且由于金属催化剂在处理过程中并不消耗，反应后需通过调节pH或加入沉淀剂等方法使其沉淀为污泥加以去除，使工艺复杂，处理成本增加，且造成了二次污染。

将电化学与芬顿反应结合起来的电芬顿(Electro-Fenton,EF)过程，由于溶解氧在阴极持续还原产生H₂O₂试剂，消除了外加H₂O₂带来的缺点，且高效低能耗以及易于控制，但已有该技术均需外加金属催化剂。例如Qu(Dyes pigm.,2005,65:227-233)等以ACF作阴极，通过外加Fe²⁺进行电芬顿反应处理偶氮染料废水，在pH3.0的条件下反应360min后TOC去除率达70％。Wang(Desalination,2010,253:129-134)等使用ACF作阴极，通过外加Fe²⁺进行电芬顿反应处理印染厂染料废水，在pH3.0的条件下反应240min后COD去除率达70％。Lei(Prot.,2010,88:431-438)等使用ACF作阴极，通过外加Mn²⁺进行电芬顿反应处理碱性红废水，在pH3.0的条件下反应200min后脱色率达100％。Martinez Huitle C A(J.Environ.Chem.Eng.,2014,2:875-880)等使用气体扩散复合阴极作阴极，通过外加Fe²⁺进行电芬顿反应处理染料废水，在pH3.0的条件下反应240min后COD去除率达90％。这些电芬顿方法中，外加金属催化剂仍然无法避免污泥的产生，造成二次污染，限制了它的应用。Jia(Water Res.,1999,33:881-884)等以ACF作阴极，附有铁片的ACF作阳极，牺牲阳极铁片进行电芬顿反应处理染料废水，脱色率达90％，COD去除率达80％。通过牺牲阳极可实时控制H₂O₂与Fe²⁺的配比，但铁片氧化成Fe²⁺进入体系中仍然无法避免污泥的产生，造成二次污染。因此，如何减少甚至杜绝污泥的产生具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于将负载铁离子的活性炭纤维复合阴极应用于电芬顿法，将铁离子负载于大比表面积的活性炭纤维上，在溶液充氧条件下，使氧在阴极还原产生H₂O₂的同时，与负载的催化剂铁直接反应产生·OH，并将该体系应用于处理水中HA和印染废水中MG，克服了现有电芬顿技术需要在体系中添加金属离子催化剂，并必须在后续将大量产生的污泥等副产物去除而造成的工艺复杂、二次污染的缺陷。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：