[发明专利]一种Fe3O4/生物质碳阴极电降解水中头孢他啶的方法

说明书

一种四氧化三铁/生物质碳阴极电催化降解水中头孢他啶的方法，它涉及一种电催化阴极的制备及降解方法的应用。本发明的目的是要解决传统电芬顿工艺H₂O₂产量低、降解效果差、在阴极易产生大量铁污泥等问题。过程包括：一、四氧化三铁/生物质碳的制备；二、阴极催化剂层的制备；三、四氧化三铁/生物质碳阴极降解头孢他啶废水的工艺参数。使用本发明制备的阴极对头孢他啶的电催化降解率可以达到95%。生物质碳的碳源为废弃的柚子皮，催化剂活性组分与载体可以重复使用，电极制备工艺简单，制作成本低廉，真正做到了节能环保。

技术领域

本发明涉及一种水中抗生素头孢他啶的电催化降解的技术方法，属于环保废水处理技术和电化学技术领域。

背景技术

随着医疗事业的发展，头孢类抗生素已成为当今研究最活跃、应用最广泛的抗生素类药物，而在我国，医院里头孢类抗生素的使用量占所有抗菌药的比例已超过45%。头孢他啶作为半合成广谱β-内酰胺酶抗性第三代头孢菌素抗生素，对革兰氏阳性菌及革兰氏阴性菌有着较好的拮抗作用。由于头孢他啶结构的复杂性和抗菌性，其具有生物毒性高、环境存留持久性等特点；因此，头孢他啶的生产废水属于难降解有机废水。一般来说，难降解有机废水的传统处理方法为生物处理方法（比如厌氧工艺+好氧工艺联合方法）。但是，浓度较低的头孢他啶废水已经具有很强的杀菌能力了，而且，其高抑菌性能会导致生物处理构筑物内的微生物快速死亡，从而使得生物处理方法不能有效去除废水中的头孢他啶。

在这种情况下，高级氧化技术(AOP)开始逐步替代生物处理技术来降解抗生素（含头孢他啶）废水。AOP法最显著的特点是以羟基自由基（·OH）为主要氧化剂与有机物发生反应，在降解过程中，期望生成不稳定、低毒性、易于生物降解的中间产物，直至矿化成CO₂和H₂O。电芬顿氧化法（E-Fenton）是AOP工艺中效率较高的方法之一，它具有高效性、多样性、低成本、操作简便等特点，是一种 “环境友好”型的绿色工艺。它能够在溶液中和阳极表面同时产生强氧化剂（·OH），在阴极直接生成双氧水（H₂O₂，其可以继续被催化生成其它活性氧物种），无选择性地氧化降解水体中的绝大部分有机污染物。但是，由于受到电极结构、电极组分、电极的催化活性和水中溶解氧浓度等因素的限制，Fe²⁺在阴极再生性能较差，易产生大量的铁污泥，不仅影响了体系的传质效率，而且后续的污泥处置增加了工艺的成本，因此，探寻提高H₂O₂产生效率和优化工艺条件以促进Fe²⁺的还原再生是E-Fenton技术大规模推广应用的关键所在。

碳材料是常见的电催化降解催化剂的载体，由于其优良的电导率、大的比表面积、良好的化学惰性，有利于电化学中的电子转移、吸附金属催化剂颗粒、防止金属纳米颗粒从载体上脱落，从而提高催化剂的催化活性和稳定性。其中，生物质碳材料的原料属于可再生资源，且大部分生物质材料都含有丰富的碳元素，利用废弃生物质材料为原料制备各种碳材料，与传统碳材料相比制作简单、生产成本低，实现碳材料的可持续发展。而且，生物质碳材料在制备过程中易于被部分石墨化，实现碳原子由乱层结构向石墨晶体结构的有序转化，增加碳骨架的导电，使得部分石墨化生物质碳材料适合作为催化活性组分的载体来使用。

本发明所述方法具体为：将柚子皮浸渍到氯化铁溶液中，通过烘干、高温碳化的同步还原方法制成四氧化三铁/生物质碳催化剂，将得到的四氧化三铁/生物质碳催化剂制备成电极应用于电催化降解头孢他啶废水，处理的过程与类E-Fenton方法相同，并对工艺参数进行优化。该电极结构与组分有利于提高电极的催化氧化还原活性与降解性能，同时防止脱落，减少了Fe²⁺的流失和铁污泥的产生，避免二次污染。催化剂可以重复使用，降低了处理成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用具有高催化活性的四氧化三铁/生物质碳复合电极来电催化降解处理头孢他啶废水的方法。

本发明采用的技术方案是：