[发明专利]一种SnO2-WO3/纳米石墨阳极电催化降解水中抗生素的方法

说明书

一种SnO₂‑WO₃/纳米石墨阳极电催化降解水中抗生素的方法，它涉及一种电催化阳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催化工艺羟基自由基及过氧化氢等活性物质产量低、降解效果差、外加电压偏高，中间有毒副产物多等问题。过程包括：一、SnO₂‑WO₃/纳米石墨复合催化剂的制备；二、阳极催化剂层的制备；三、SnO₂‑WO₃/纳米石墨阳极降解头孢他啶废水的工艺参数。使用本发明制备的阳极在外加电压为2.5V时，对头孢他啶的电催化降解率可以达到95%。催化剂活性组分与载体在多次重复使用后性能下降较小，催化稳定性好，电极制备工艺简单，制作成本低廉，能有效降低降解工艺的能源消耗，真正做到了节能环保。

技术领域

本发明涉及一种废水中头孢他啶抗生素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

抗生素是PPCPs中的一类典型有机污染物，主要是用于治疗致病微生物（多为真菌和细菌）所致的感染病症；在我国，抗生素在人类生活以及农业产业中的用量是十分巨大的，同时，我国还是抗生素生产和消费大国；在21世纪初期，我国的青霉素、土霉素和多西环素的产量是世界第一，在世界总产量的占比都在60％以上；传统的污水处理厂没有针对抗生素的去除而设计工艺，在抗生素的监测和去除方面还存在一些细节上的问题。抗生素污染问题在我国尤为严峻，虽然水体中的抗生素含量极低，一般在ng/L的级别；但是，抗生素大多具有较强的生物活性，旋光性和极性，是一种持续性的污染物。头孢类抗生素种类繁多，包括头孢他啶，头孢曲松钠，头孢脞啉等，在抗生素废水中占有很大的比例。

在这种情况下，高级氧化技术(Advanced Oxidation Processes, 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）和空穴（h⁺）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、易于被生物降解的中间产物，直至矿化成CO₂和H₂O。电催化（electrochemicalcatalysis, EC）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，并且能耗相对较低，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；在电催化废水处理系统中,电极是电化学反应器的心脏,探索综合性能好的阳极材料一直是该工艺的研究重心,优良的电极要求有较高的析氧电位和催化活性,且在废水中具有较高的稳定性和抗腐蚀性；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，金属阳极由于其有限的电化学活性面积，以及昂贵的价格，限制了大规模的应用。目前，广泛使用的是商用钛镀钌(DSA)阳极，但其制备工艺复杂，而且表面的镀层会由于长期使用脱落至水体中，造成二次污染；而且，电极在溶解氧丰富的水体中容易发生腐蚀；因此，制备一种兼具优良导电性和长久的循环稳定性的电极是提高电催化效率，加快降解速度，减少中间毒性物质产生的关键。

石墨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、较大的比表面积、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，纳米石墨材料的原料价格低廉，耐化学腐蚀，抗酸、碱及有机溶剂，由于纳米结构，与其前体鳞片石墨相比具有更好的导电性，更大的比表面积和表面能，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；纳米石墨采用传统的hummers法制备，通过引入金属氧化物增加碳骨架的导电能力，以及羟基自由基生成，并且双金属氧化物的协同效应不仅提供了丰富的氧空位，也使催化剂的稳定性得以提升。