[发明专利]零价钴活性炭基催化颗粒电极的制备方法及应用

说明书

本发明涉及污废水处理领域，具体地，涉及一种零价钴活性炭基催化颗粒电极的制备方法和应用。本发明所述的催化颗粒电极包括活性炭粉、粘结剂及负载在活性炭粉上的零价钴催化剂，负载零价钴质量占活性炭质量的8 wt%~10 wt%。本发明的方法包括活性炭粉预处理、钴盐溶液配制、催化剂负载、粘结剂配制、颗粒电极制备和焙烧活化几个步骤。本发明制备的零价钴活性炭基催化颗粒电极，制备方法操作简单、能耗低、导电性好、原料成本低、钴负载量高、催化活性高，运用在三维电催化反应体系中，在较低电流和电压条件下，能高效降解去除水中有毒有害有机物。

技术领域

本发明涉及污废水处理领域，具体涉及一种负载催化金属元素的零价钴催化颗粒电极的制备方法及其对水中有毒有害有机物的降解去除。

技术背景

有毒有害有机物，成分复杂，大量存在于各种污水、废水和水体中，严重影响着环境安全及人体健康。由于有毒有害物质的毒性，一般难于生物降解，常采用高级氧化技术进行降解去除。三维电催化氧化法是高级氧化技术的一种，因具有去除污染物效率高、占地面积小、选择性强等特点，而受到广泛关注。

钴是一种过渡金属，由于其较小的原子半径及特殊的电子结构，被广泛应用于多相催化体系中。通常钴催化剂是以钴氧化物和零价钴单质的形态存在，需要将其负载在载体上使用。目前，对于零价钴催化剂负载与制备的方法主要有：液相还原法、浸渍法、热分解法和脉冲电流沉积法等。其中，液相还原法，是在液相或非常接近液相的状态下，原料物质发生一定的电解或化学反应后直接被还原成零价钴颗粒的方法，常用的还原剂有水合肼、硼氢化盐、次磷酸盐和多元醇等，但该方法制备需要较强的还原剂添加，一般情况下制得的催化剂的粒径较大，颗粒稳定性及性能较差。热分解法，是指钴的有机化合物在高温下分解产生钴原子，再由钴原子生成零价钴颗粒材料，但分解过程需要用到价格昂贵的有机配体和大量的有机试剂，且生成的粉末易团聚，需要进行二次粉碎，成本较高。脉冲电流沉积法，利用电镀工艺，将催化剂镀在载体表面，其优点是催化剂分布均匀不易脱落，缺点是能耗高，对载体要求严格。浸渍法是将催化剂载体浸于浓度一定的钴溶液中，振荡吸附一定时间，取出烘干，然后高温焙烧，这种方法操作过程简便、能耗低，但是浸渍法负载制备出的钴催化剂通常是以钴氧化物的形态存在，且多为粉末样品，容易流失。

因此，本发明采用过量浸渍法，以聚乙烯醇和羧酸为粘结剂造粒，在氮气保护条件下高温焙烧，通过物理混合、一步煅烧法制备出零价钴活性炭基催化颗粒电极，运用于三维电催化处理系统中。该制备方法操作简单、能耗低、导电性好、原料成本低、钴负载量高、催化活性高，在较低电流和电压条件下，能高效降解去除水中有毒有害有机物。

发明内容

本发明的目的是将活性炭基的吸附性能和零价钴具有的催化性能相结合，提供了一种零价钴活性炭基催化颗粒电极及其制备方法，使其具有污染物降解去除率高、催化活性高、粒子电极吸附性能高、能耗低等特点且制备方法简单。

本发明的再一目的是提供上述颗粒电极材料，运用在三维电催化反应体系中，高效处理水中的有毒有害物质。

本发明提供一种负载零价钴于活性炭基催化颗粒电极的制备方法，包括如下步骤：

(1)活性炭粉预处理：用水清洗活性炭粉，振荡、分离后烘干，冷却至室温；

(2)钴盐溶液的配制：将硝酸钴或硫酸钴溶解于水中，钴离子的摩尔浓度为0.3～0.7mol/L；

(3)催化剂负载：将(1)中的活性炭粉按质量体积比1g:5～8L浸渍在钴盐溶液(2)中，振荡、离心后烘干，冷却至室温；

(4)粘结剂制备：在水浴条件下将聚乙烯醇溶于水中，待聚乙烯醇完全溶解后，同时加入羧酸和催化剂，进行交联反应，冷却至室温；

(5)颗粒电极制备：将(3)中的活性炭粉与(4)中的粘结剂按质量体积比1g:1～2L混合均匀，造粒，烘干；