應(yīng)用于電Fenton體系的碳纖維材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電催化陰極材料的改性領(lǐng)域,具體涉及到一種應(yīng)用于電Fenton體系的碳纖維材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電Fenton法是近來備受關(guān)注的高級氧化技術(shù)之一,利用電化學法電解產(chǎn)生具有強氧化性的.0Η來氧化廢水中的有機物?;趥鹘y(tǒng)Fenton試劑的作用機理,電Fenton也是由H2O2和Fe2+反應(yīng)產(chǎn)生強氧化性的.0Η。在電Fenton體系中,通過曝氣在陰極表面產(chǎn)生H202。H2O2在Fe2+的催化作用下產(chǎn)生.0Η,.0Η氧化有機物。Fe 3+在陰極會發(fā)生的還原反應(yīng)產(chǎn)生Fe2+,使Fenton反應(yīng)得以繼續(xù)進行。此技術(shù)具有花費低,設(shè)備簡單、運行效率持續(xù)等優(yōu)點,但是受到電極材料的限制,難以工業(yè)化應(yīng)用。
[0003]如何提高陰極H2O2的濃度是電Fenton技術(shù)研宄的一個難點,而陰極材料是決定H2O2產(chǎn)率的關(guān)鍵因素。由于碳材料具有較強的穩(wěn)定性,優(yōu)良的導電性,較高的析氫點位等優(yōu)點,在電Fenton研宄中具有良好的應(yīng)用前景。其中,碳纖維比表面積大,耐腐蝕性強,耐高溫,機械強度高,吸附能力強等,是一種實際應(yīng)用前景較好的陰極材料。但是由于市面上的碳纖維作為陰極時,H2O2產(chǎn)生效率不高,影響電Fenton系統(tǒng)降解有機物的效果,因此開發(fā)新型高效、簡單易行的碳纖維改性方法,增加其氧化還原活性點位,對促進電Fenton體系陰極材料的開發(fā),以及電Fenton處理有機廢水技術(shù)的實際應(yīng)用具有重要意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種應(yīng)用于電Fenton體系的碳纖維材料及其制備方法。
[0005]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種應(yīng)用于電Fenton體系的碳纖維材料,所述材料由碳纖維和原位負載于碳纖維表面的碳納米空心球組成。
[0006]一種應(yīng)用于電Fenton體系的碳纖維材料的制備方法,該方法包括以下步驟:
(I)去油處理:將碳纖維材料在丙酮中浸泡24 h后,用去離子水清洗去除殘余有機物,
干燥后得到預處理后的碳纖維材料。
[0007](2)水熱處理:將步驟(I)預處理后的碳纖維材料浸泡于質(zhì)量分數(shù)為1~10%的葡萄糖水溶液中,超聲處理1-2小時后,將碳纖維材料與葡萄糖水溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中,1200C -200°C水熱處理12-24 h,反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫;
(3)將步驟(2)處理后的碳纖維材料,用去離子水清洗去除碳纖維表面殘留物質(zhì),真空干燥后得到改性的碳纖維材料。
[0008]進一步地,步驟(2)中,水熱處理溫度為180°C _200°C。
[0009]一種應(yīng)用于電Fenton體系的碳纖維材料的應(yīng)用,該應(yīng)用為,將所述材料作為陰極材料,用于電Fenton有機廢水處理。
[0010]本發(fā)明的有益效果在于: 1.空心碳納米球具有密度小、比表面積高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可填充性好、能容納電解質(zhì)離子,是一種良好的電極材料。
[0011]2.本發(fā)明的處理工藝簡單,材料便宜易得,易于推廣應(yīng)用。
[0012]3.通過本發(fā)明方法所得的改性碳纖維,其表面原位負載了碳納米球,增大了碳纖維材料的比表面積,提供了更多的反應(yīng)活性點位;原位生成的碳納米球表面具有更多的親水基團,有利于促進溶液中電極材料的界面?zhèn)髻|(zhì)過程。
[0013]4.采用本發(fā)明方法處理的碳纖維材料,具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和重復使用性。
【附圖說明】
[0014]圖1 (a)、(b)分別為本發(fā)明方法改性前后碳纖維表面的掃描電鏡圖(圖1 (a)改性前,圖1(b)改性后);
圖2碳纖維表面碳納米空心球的放大圖;
圖3(a)、(b)分別為圖2中a、b兩點處的能譜圖;
圖4為本發(fā)明方法改性前后碳纖維作為電Fenton體系陰極降解電鍍廢水的效果。
[0015]圖5為本發(fā)明方法改性后碳纖維作為電Fenton體系陰極材料的重復使用性能。
【具體實施方式】
[0016]如圖1和2所示,本發(fā)明一種應(yīng)用于電Fenton體系的碳纖維材料,所述材料由碳纖維和原位負載于碳纖維表面的碳納米球組成。從圖1可知,碳纖維材料表面負載了大量納米球。納米球形結(jié)構(gòu)由于其內(nèi)部的孔隙空間,具有比表面積高,容量大以及循環(huán)壽命長等特點。碳纖維表面負載大量的納米球增大了碳纖維材料的比表面積,增加了其反應(yīng)活性點位。原位負載的納米球表面具有更多的親水基團,接觸角由原來的145°下降至126°,有利于促進溶液中電極材料的界面?zhèn)髻|(zhì)過程。圖3a和b分別為圖2中a和b兩點的能譜分析圖,得到C和O元素的質(zhì)量百分比分別為75.18%和24.82%??芍?,碳纖維上負載的納米球為碳納米球。從圖2中部分破裂的碳納米球(方框中)可以看出,碳納米球為空心的納米球??招奶技{米球具有密度小、比表面積高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可填充性好、能容納電解質(zhì)離子,是一種良好的電極材料。
[0017]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0018]實施例1:一種應(yīng)用于電Fenton體系的碳纖維材料的制備方法,該方法包括以下步驟:
(I)去油處理:
將碳纖維材料浸泡于丙酮溶液中進行去油處理,浸泡時間為24 h,獲得去油處理后的碳纖維材料,之后將其用去離子水超聲清洗數(shù)次直至去除殘余有機物。將材料至于烘箱中,80°C烘干,徹底去除殘余丙酮,獲得預處理后的碳纖維材料。
[0019](2)水熱處理:
將步驟(I)所得的去油處理后的碳纖維完全浸泡于質(zhì)量分數(shù)為1%的葡萄糖溶液中,超聲處理1-2小時,讓碳纖維充分吸收葡萄糖溶液;將碳纖維與葡萄糖溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯的罐子中,放入不銹鋼反應(yīng)釜,120°C水熱處理24 h,自然冷卻至室溫。
[0020](3)將步驟(2)所得的碳纖維材料,用去離子水浸泡,超聲洗滌數(shù)次直至去除碳纖維表面殘留物質(zhì),真空干燥10 h,得改性碳纖維材料。
[0021]實施例2:—種應(yīng)用于電Fenton體系的碳纖維材料的制備方法,該方法包括以下步驟:
(I)去油處理:
將碳纖維材料浸泡于丙酮溶液中進行去油處理,浸泡時間為24 h,獲得去油處理后的碳纖維材料,之后將其用去離子水超聲清洗數(shù)次直至去除殘余有機物。將材料至于烘箱中,80°C烘干,徹底去除殘余丙酮,獲得預處理后的碳纖維材料。
[0022](2)水熱處理:
將步驟(I)所得的去油處理后的碳纖維完全浸泡于質(zhì)量分數(shù)為10%的葡萄糖溶液中,超聲處理1-2小時,讓碳纖維充分吸收葡萄糖溶液;將碳纖維與葡萄糖溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯的罐子中,放入不銹鋼反應(yīng)釜,180°C水熱處理24 h,自然冷卻至室溫。
[0023](3)將步驟(2)所得的碳纖維材料,用去離子水浸泡,超聲洗滌數(shù)次直至去除碳纖維表面殘留物質(zhì),真空干燥10 h,得改性碳纖維材料。
[0024]實施例3:—種應(yīng)用于電Fenton體系的碳纖維材料的制備方法,該方法包括以下步驟:
(I)去油處理:
將碳纖維材料浸泡于丙酮溶液中進行去油處理,浸泡時間為24 h,獲得去油處理后的碳纖維材料,之后將其用去離子水超聲清洗數(shù)次直至去除殘余有機物。將材料至于烘箱中,80°C烘干,徹底去除殘余丙酮,獲得預處理后的碳纖維材料。
[0025](2)水熱處理:
將步驟(I)所得的去油處理后的碳纖維完全浸泡于質(zhì)量分數(shù)為10%的葡萄糖溶液中,超聲處理1-2小時,讓碳纖維充分吸收葡萄糖溶液;將碳纖維與葡萄糖溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯的罐子中,放入不銹鋼反應(yīng)釜,200°C水熱處理12 h,自然冷卻至室溫。
[0026](3)將步驟(2)所得的碳纖維材料,用去離子水浸泡,超聲洗滌數(shù)次直至去除碳纖維表面殘留物質(zhì),真空干燥10 h,得改性碳纖維材料。
[0027]實施例4:本實施例將實施例1、2和3制備得到的改性碳纖維材料作為陰極材料,用于電Fenton有機廢水處理。
[0028]將該實施例獲得的改性碳纖維作為電Fenton體系的陰極材料,進行電鍍廢水有機物降解能力的實驗。在PH為3,外加催化劑Fe2+濃度為2 mmol/L時,電鍍廢水COD降解效果如圖4所示。從圖4可知,該實施例1、2和3獲得的改性碳纖維材料用作陰極時,反應(yīng)30 min時COD的去除效率達到79%~81%,約為改性前未處理碳纖維陰極的2.7倍,在60 min時,本發(fā)明實施例1、2和3制備得到的材料的COD去除率達到92%~94%,約為改性前未處理碳纖維陰極的1.7倍;說明這種原位負載有碳納米空心球的碳纖維顯著提高了碳纖維陰極在電Fenton體系中對有機物的去除能力。
[0029]從圖5可知,該實施例1獲得的改性碳纖維陰極材料在電Fenton體系中經(jīng)過20次重復使用后,對有機物的降解性能未出現(xiàn)明顯減弱,表明該改性碳纖維材料具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和重復使用性。
[0030]以上所述,僅是本發(fā)明的較佳實施例而已,并非對本發(fā)明作任何形式上的限制,故凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容,依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾,均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種應(yīng)用于電Fenton體系的碳纖維材料,其特征在于,所述材料由碳纖維和原位負載于碳纖維表面的碳納米空心球組成。
2.—種權(quán)利要求1所述的材料的制備方法,其特征在于,該方法包括以下步驟: (1)去油處理:將碳纖維材料在丙酮中浸泡24h后,用去離子水清洗去除殘余有機物,干燥后得到預處理后的碳纖維材料; (2)水熱處理:將步驟(I)預處理后的碳纖維材料浸泡于質(zhì)量分數(shù)為1~10%的葡萄糖水溶液中,超聲處理1-2小時后,將碳纖維材料與葡萄糖水溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中,1200C -200°C水熱處理12-24 h,反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫; (3)將步驟(2)處理后的碳纖維材料,用去離子水清洗去除碳纖維表面殘留物質(zhì),真空干燥后得到改性的碳纖維材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于:步驟(2)中,水熱處理溫度為180 0C -200。。。
4.一種權(quán)利要求1所述的材料的應(yīng)用,其特征在于:該應(yīng)用為,將所述材料作為陰極材料,用于電Fenton有機廢水處理。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于電Fenton體系的碳纖維材料及其制備方法與應(yīng)用,所述材料由碳纖維和原位負載于碳纖維表面的碳納米空心球組成。該方法在高溫下,碳纖維與葡萄糖溶液在密閉的反應(yīng)釜中水熱處理后得到表面改性陰極材料。經(jīng)本發(fā)明技術(shù)活化處理后的碳纖維,實現(xiàn)了碳納米球的原位負載,從而增加了表面反應(yīng)活性點位,提高材料的表面親水性。將此材料應(yīng)用于電Fenton體系,可以有效提高陰極產(chǎn)生?OH的能力,顯著增強有機物的去除能力。本發(fā)明方法操作簡單,方便可控,對設(shè)備要求低,具有較好的應(yīng)用前景。
【IPC分類】C02F1-72, D06M11-74, D06M101-40, C02F1-461
【公開號】CN104805682
【申請?zhí)枴緾N201510185933
【發(fā)明人】蔡巧蘭, 陳雪松, 范海青, 陳水榮, 呂淑瑜, 宋雪平, 李筱煥
【申請人】浙江冶金環(huán)境保護設(shè)計研究有限公司
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月17日