[实用新型]一种生物碳基纳米铁耦合自清洁三维电极

说明书

本实用新型公开一种生物碳基纳米铁耦合自清洁三维电极。该电极包括供铁生物碳基纳米铁耦合阳极与自由基氧化生物碳基纳米铁耦合阴极，组合三维电极的结构优势，充分发挥生物碳基纳米铁与正负电流的结合优势，高效将电能转化为化学能用以污染物断键降解。本实用新型是基于阳极直接氧化、间接氧化与阴极自由基氧化原理，特点如下：生物碳基纳米铁能将电解液中有机污染物吸附集中在阴阳两极表面形成限域降解从而成倍提高电化学降解效率；通过阴阳两极分别原位生成的过氧化氢与二价铁持续生成氧化性自由基高效氧化污染物而达到自清洁效果；通过增强阳极氧化克服碱性条件零效率障碍，高效处理高浓度有机废水。

技术领域

本实用新型涉及一种高浓度有机废液的高效处理电极，具体涉及一种生物碳基纳米铁耦合自清洁三维电极。

背景技术

生物碳基环境友好材料的制备是目前最有前景且应用最广泛的废物回收利用技术。生物碳基材料是通过固体废弃物无氧热解后进一步改性得到的环境友好型材料，虽然其优越的吸附性能已经得到多方面验证，但其氧化还原特性与电化学性能却容易被科学领域所忽视。优越的电导性使得生物碳基材料足以充当电化学反应器的电极，另外，生物碳基材料表面密布有多种催化活性官能团，在增强化学吸附的同时可以利用其氧化还原特性进行多相催化，反向推动电化学反应的进程，最终高效地降解有机污染物。

生物碳基纳米铁耦合自清洁三维电极集合了生物碳基材料与纳米零价铁材料的优势。零价纳米铁具有较强的还原性，另外其特有的表面效应和小尺寸效应（纳米级），从而同时具有优越的吸附性。金属铁的导电性也为生物碳基纳米铁的电极应用增光添彩。更重要的是零价纳米铁具有出色的脱氯性能，由于化合物支链上的氯原子是该化合物生物毒性的重要来源，所以这一性能对有机氯化物脱毒具有重大意义。

生物碳基纳米铁耦合自清洁三维电极在电化学反应器降解高浓度有机废水的过程中意义重大。首先，生物碳基纳米铁耦合自清洁三维电极的强吸附性使得废水中的持久性有机污染物形成电极趋向运动，并将其稳定吸附在阴阳两极表面形成限域降解，可以成倍提高对阳极氧化与阴极自由基氧化效果的利用效率；其次，在阴极电子输入作用下，生物碳基纳米铁阴极表面上付着的气泵输入的氧气发生二电子反应被高效还原为过氧化氢，加上阳极上生物碳基纳米铁失去电子生成的二价铁离子，两者形成催化反应，在溶液中尤其是阴极周边形成大量氧化性自由基，由于氧化性自由基的寿命极短，恰好利用生物碳基纳米铁的吸附性将持久性有机污染物吸附在阴极表面，成倍提高了阴极自由基氧化的效率；再次，生物碳基纳米铁阳极同样将持久性有机污染物集中于表面，利用阳极强氧化性使其失去电子，直接断键降解，另外阳极间接氧化作用可以将水氧化为过氧化氢，利用二价铁离子过氧化氢活化为氧化性自由基，同样地，强力的吸附作用形成的限域降解可以成倍地增加降解效果；更重要的是，因为阳极氧化作用不受有机废水pH的限制，生物碳基纳米铁增强的阳极氧化作用可以克服传统反应系统碱性条件下零降解效率的问题，从而大大扩展了电化学自由基氧化的pH适用范围，解决了工程上的重大难题。

目前大部分的三维电极电化学处理高浓度有机废水是利用昂贵的改性电极，基于自由基氧化原理，利用强氧化性羟基自由基对目标有机污染物氧化降解而设计的装置。例如：中国专利（专利号为：CN106966465A）三维电极构筑电化学处理高浓度有机废水，是利用羟基自由基氧化技术去除污水中的有机污染物，达到污水处理与净化的目的，但事实并不能如所述克服电该系统在碱性条件下极低的处理效率，且该电极改性较为昂贵，达到污水处理市场普及并不容易。另外，中国专利（专利号为：CN 103553188 A），是一种基于电催化粒子电极材料处理高浓度有机废水的方法，虽然可以通过阳极氧化等作用对有机废水中部分有机污染物达到去除效果，但因为根本上忽略了阴极产生氧化性自由基在系统中的作用，使得缺少了阴极在电化学体系中的所能扮演的重要角色，降解效率折半；且电极改性过程极为复杂，难以做到广泛使用。尽管大部分电化学处理高浓度有机废水的电极都通过各种方式提升其有机污染物处理效率，但都没有做到简单实用。