[发明专利]一种原位电催化产生硫酸根自由基氧化污染物的方法

说明书

本发明涉及一种原位电催化产生硫酸根自由基氧化污染物的方法，该方法为：采用高析氧电位的阳极材料原位活化废水中的硫酸盐产生过硫酸根，产生的过硫酸根在具有电催化活性的阴极材料处被催化为硫酸根自由基，硫酸根自由基氧化废水中的污染物同时转化为硫酸盐，并再次在阳极材料处被活化，以此循环。与现有技术相比，本发明利用水体中的硫酸根离子原位产生硫酸根自由基氧化去除污染物，无需外加氧化剂(如过一硫酸盐、过二硫酸盐)，且不会造成水体盐浓度上升；这一水污染控制技术去除效率高，二次污染小，且具有易于自动化的特性。

技术领域

本发明属于能源、环境与电化学技术领域，涉及一种原位电催化产生强氧化性硫酸根自由基氧化污染物的方法。

背景技术

水污染是最重要的环境问题之一。近年来，持久性污染物、内分泌干扰物等难生化的新兴污染物越来越受到公众和科研工作者的关注。目前，较为常用的方法是采用高级氧化技术来实现对此类难生化污染物的降解。在传统的高级氧化技术中，采用双氧水作为主要的氧化剂，通过类芬顿反应将其活化为具有强氧化作用的羟基自由基用于污染物去除，这在污水治理的实践中得到了广泛的运用。然而，双氧水在运输过程中存在安全隐患，同时其对于废水的酸性有比较严格的要求，因此限制了其进一步的发展。

近年来，基于硫酸根自由基的高级氧化技术由于pH适用范围广而受到了广泛的关注。目前，基于硫酸根自由基的高级氧化技术主要通过以下几个途径实现：

(1)外加能量活化过硫酸盐。即通过光能、热能、超声等方法使过硫酸盐的过氧键断裂，从而均裂为硫酸根自由基，进而实现对污染物的氧化去除。

(2)外加化学试剂活化过硫酸盐。即通过外加碱、氢醌自由基等化学试剂对过硫酸盐进行活化。这一方法存在化学试剂储存运输难，成本高，且容易带来二次污染等问题，限制了其进一步发展。

(3)过渡金属离子催化活化过硫酸盐。即利用过渡金属的还原性，将d电子转移给过硫酸盐或形成过硫酸盐/金属配合物，从而使得过硫酸盐离子被活化为一个硫酸根阴离子和一个硫酸根自由基阴离子。但是过渡金属离子在水相中难以分离、回收，这使得处理后的水样需要花费高昂的成本用于催化剂的分离、回收。

目前而言，基于硫酸根自由基的高级氧化技术均存在需要持续外加过硫酸盐，造成二次污染、催化剂难以分离回收等技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述基于硫酸根自由基的水污染控制高级氧化技术存在的缺陷，而提供一种原位电催化产生硫酸根自由基氧化污染物的方法，通过合理设计并构建出具有原位高效产生硫酸根自由基的电化学系统，用于污染物的原位氧化修复，利用水体中原本存在的硫酸根离子活化产生强氧化性的硫酸根自由基，而避免了持续地外加过硫酸盐造成的二次污染和盐浓度上升等问题。同时，由于阴极本身具有电催化活性，因而还解决了催化剂分离、回收的难题。该电化学系统能够在电场作用下，加速催化循环过程，促进了污染物的高效氧化去除。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种原位电催化产生硫酸根自由基氧化污染物的方法，该方法为：在不添加过硫酸盐氧化剂的情况下，采用高析氧电位的阳极材料(如掺硼金刚石、氧化铅等)原位活化废水中原本存在的硫酸盐产生过硫酸根，产生的过硫酸根在具有电催化活性的阴极材料(如碳、Pt、过渡金属氧化物等具有良好导电性的材料)处被催化为硫酸根自由基阴离子，硫酸根自由基阴离子氧化废水中的污染物同时转化为硫酸盐，并再次在阳极材料处被活化，以此循环。

一种基于所述方法的原位电催化产生硫酸根自由基氧化污染物的电化学系统，该电化学系统包括阳极、阴极及支撑电解质，阳极材料的析氧电位为1.8-3.0V(vs.SCE)，阴极材料含有过渡金属元素(如Ag、Co、Fe、Cu和Mn等)，所述的支撑电解质为含有硫酸盐(0.01～1.0mol L^-1)的水溶液(支撑电解质中不含有过硫酸盐、双氧水等外加的氧化性化合物)。电化学系统还可根据实际需要，增加参比电极，参比电极优选为饱和甘汞电极。