[发明专利]一种微气泡曝气式旋转电芬顿阴极及其应用

说明书

一种微气泡曝气式旋转电芬顿阴极及其应用，它涉及电芬顿阴极及其应用，它是要解决现有的电芬顿阴极在电合成H₂O₂过程存在的氧传质能力差的技术问题。本发明的微气泡曝气式旋转电芬顿阴极包括氧气源、减速电机、伞形齿轮转向装置、万向阀和多孔阴极；其中多孔阴极由空心轴和与其固定连接的泡沫金属头组成；空心轴穿过纵轴伞形齿轮并与万向阀连接，万向阀的另一端与氧气源连接，横轴伞形齿轮与减速电机连接。将微气泡曝气式旋转电芬顿阴极用于电芬顿反应器，处理有机废水，在转速为200rpm时H₂O₂的产量是传统阴极的2倍。本发明可用于污水处理领域。

技术领域

本发明涉及电芬顿阴极及其应用，属于环境工程技术领域。

背景技术

电芬顿作为废水电化学处理的技术之一，相比于传统的芬顿通过加入铁盐催化剂及H₂O₂来实现废水中有机污染物的氧化去除，电芬顿技术具备原位2电子氧还原(ORR)电合成H₂O₂(公式1-1)、易于控制的突出优势。同时，阴极Fe³⁺还原可为经典芬顿反应源源不断补充Fe²⁺催化剂，进而减少了Fe²⁺的投加，以最终减少铁泥的产量(公式1-2，1-3)。所以，电芬顿近来作为一种新型的高级氧化技术被广泛应用于苯酚、抗生素、农药等难处理有机废水中。

O₂+2e^-+2H⁺→H₂O₂ (1-1)

H₂O₂+Fe²⁺→Fe³⁺+^-OH+·OH (1-2)

Fe³⁺+e^-→Fe²⁺ (1-3)

然而，限制电芬顿氧化效能进一步提高的关键因素是阴极2电子ORR电合成H₂O₂的量。所以近些年电-Fenton技术主要围绕阴极的设计/制备展开，即阴极材料设计、修饰强化2电子ORR的电子转移(电化学过程)。比如公开号为CN111969217A的中国专利公开了一种用聚苯胺两步电沉积法修饰碳刷，辅以碳化和活化后制备出不含粘合剂的阴极；公开号为CN110818033A的中国专利公开了一种石墨烯气体扩散电极。然而，2电子ORR电合成H₂O₂不仅受电子转移控制，还受氧液相传质过程控制。因此，除了关注阴极界面电子转移过程外，前驱体氧传质问题更应被关注。其中，2电子ORR电合成H₂O₂过程所利用一般为溶解氧，而溶氧在常温下的浓度(8mg/L)及扩散速率(2×10^-9m²s^-1，25℃)相对有限。由此导致了氧的液相传质受阻。鉴于双电层厚度通常为扩散层厚度的0.01％，氧在双电层中传质可忽略，其在扩散层中扩散传质成为氧液相传质的限速步骤。如何实现前驱体氧在扩散层中的传质是提高阴极电合成的H₂O₂的关键。同时阴极电合成H₂O₂过程中不可避免的会伴随析氢反应，导致微小的氢气泡附着于阴极表面，形成气泡水帘，增加电阻、减小比表面积，进一步阻碍了氧的传质。

发明内容

本发明是要解决现有的电芬顿阴极在电合成H₂O₂过程存在的氧传质能力差的技术问题，而提供一种微气泡曝气式旋转电芬顿阴极及其应用。

本发明的微气泡曝气式旋转电芬顿阴极包括氧气源1、减速电机2、伞形齿轮转向装置3、万向阀4和多孔阴极5；