一种应用于电芬顿体系的天然磁铁矿/炭黑/石墨毡复合阴极的制备方法与流程

本发明属于电化学水处理技术领域，具体涉及一种天然磁铁矿/炭黑/石墨毡复合阴极的制备方法。

背景技术：

电芬顿法是通过过渡金属催化剂催化阴极原位电合成的过氧化氢产生强氧化性物质(·oh)来降解废水中的有机物的一种电化学水处理技术。与其他的高级氧化技术相比，电芬顿法因具有反应速度越快、易于操作等特点被认为是一种优良的高级氧化技术。但该方法需要调节废水ph至酸性且存在由于加入金属催化剂导致的二次污染等问题。因此众多研究学者通过将氧化铁负载在阴极材料表面，避免在高ph条件下的电芬顿体系中铁离子发生沉淀和络合反应生成铁泥。

在这些氧化铁中，磁铁矿被认为是一种有效的非均相催化剂。天然磁铁矿是一种廉价的矿物开采副产物，分布广泛，其主要成分fe3o4。由于天然磁铁矿晶体结构的八面体位置存在fe²⁺和fe³⁺离子，自身能催化分解h2o2，产生羟基自由基，使得在电芬顿反应过程中具有较高的催化活性。另一方面，天然磁铁矿的固有磁性使得在电芬顿工艺结束时催化剂与反应溶液的分离变得容易。

本发明利用天然磁铁矿与炭黑对石墨毡阴极进行修饰，避免了废水ph调节及金属催化剂投加而产生的二次污染问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种成本低廉，制作方法简单，具有较多催化活性位点和良好氧还原电催化性能的天然磁铁矿/炭黑/石墨毡复合阴极制备方法。

上述天然磁铁矿/炭黑/石墨毡复合阴极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石墨毡置入丙酮溶液中超声清洗去除杂质，然后用超纯水冲洗数次，去除残留丙酮，在干燥箱中烘干，得到预处理的石墨毡；

(2)将炭黑粉末与聚四氟乙烯溶液依次加入到异丙醇和超纯水的混合溶液中，超声分散，得到分散均匀的分散溶液；混合溶液中超纯水和异丙醇的体积比为(0.5-2)：1；

(3)将不同质量的天然磁铁矿粉末加入到步骤(2)混合溶液中，在恒温振荡器中震荡混合均匀；

(4)将步骤(1)清洗的石墨毡，浸渍于步骤(3)得到的混合溶液中，在恒温振荡器中震荡为10～120min，转速为120～200r/min；

(5)将步骤(4)得到的复合石墨毡取出，在干燥箱中烘干，然后置于马弗炉中250～400℃煅烧1～2h，即可得到天然磁铁矿/炭黑/石墨毡复合阴极。

进一步优选炭黑粉末：聚四氟乙烯溶液：天然磁铁矿粉末的用量关系为每0.8g炭黑粉末对应0.8～5.6g(优选4g)聚四氟乙烯溶液、0.1～1.0g(优选0.7g)天然磁铁矿粉末。

与现有技术相比较，本发明具有以下优异效果：

1、本发明在石墨毡表面负载炭黑，增加了电极的电化学活性，提高了阴极过氧化氢产量，为磁铁矿提供了大量附着位点。

2、本发明以天然磁铁矿作为催化剂，直接负载于电极上，增加反应活性位点，缩短反应时间，有利于增强电极的催化活性，提高电芬顿法处理有机废水效能。

3、本发明采用震荡法将天然磁铁矿修饰于电极表面，操作简单，为后续天然磁铁矿/炭黑/石墨毡复合阴极的制备提供基础。

4、本发明制备的天然磁铁矿/炭黑/石墨毡复合阴极电极，具有较高的催化活性。

附图说明

图1为预处理石墨毡的扫描电镜图片。

图2为炭黑/石墨毡阴极的扫描电镜图片。

图3为天然磁铁矿/炭黑/石墨毡复合阴极的扫描电镜图片。

图4为实施例的天然磁铁矿/炭黑/石墨毡复合阴极、对比例1的炭黑/石墨毡复合阴极和对比例2的石墨毡阴极降解阿特拉津的效果图。

具体实施方式

下面实施例和对比例将结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例：

(1)将石墨毡(4cm×5cm)置入丙酮溶液中超声清洗去除杂质，然后用超纯水冲洗数次，去除残留丙酮，在干燥箱中烘干，得到经过预处理的石墨毡；

(2)将炭黑粉末(0.8g)与质量百分含量60％聚四氟乙烯溶液(4g)依次加入到40ml异丙醇和超纯水的混合溶液中，超声分散，得到分散均匀的混合溶液；

(3)将0.7g天然磁铁矿粉末加入到步骤(2)混合溶液中，在恒温振荡器中震荡分散均匀；

(4)将步骤(1)清洗的石墨毡，浸渍于步骤(3)得到的混合溶液中，在恒温振荡器中以180r/min的转速震荡30min；

(5)将步骤(4)得到的复合石墨毡取出，在干燥箱中烘干，然后置于马弗炉中360℃煅烧1h，即可得到天然磁铁矿/炭黑/石墨毡复合阴极。

(6)以步骤(5)得到的天然磁铁矿/炭黑/石墨毡复合电极为阴极，pt片为阳极，降解250ml浓度为10mg/l的阿特拉津废水。0.05mol/l无水硫酸钠作为电解质，反应电流100ma，反应液ph为6.8。

对比例1：

步骤(1)步骤(2)制备过程同实施例步骤(1)步骤(2)

(3)将步骤(1)清洗的石墨毡，浸渍于步骤(2)得到的混合溶液中，在恒温振荡器中震荡20min；

(4)将步骤(3)得到的复合石墨毡取出，在干燥箱中烘干，然后置于马弗炉中360℃煅烧1h，即得到制备的炭黑/石墨毡复合阴极。

(5)以步骤(4)得到的炭黑/石墨毡复合电极为阴极，其余实验反应条件同实施例步骤(6)。

对比例2：

(1)将石墨毡(4cm×5cm)置入丙酮溶液中超声清洗去除杂质，然后用超纯水冲洗数次，去除残留丙酮，在干燥箱中烘干，得到经过预处理的石墨毡；

(2)以清洗后的石墨毡为阴极，其余实验反应条件同实施例步骤(6)。

由图4可见，实施例与对比例1和对比例2相比对阿特拉津(阿特拉津初始浓度为10mg/l)处理效果更好，电极氧化效能更高。

技术特征：

技术总结
一种应用于电芬顿体系的天然磁铁矿/炭黑/石墨毡复合阴极的制备方法，属于电化学水处理技术领域。本发明在碳黑和聚四氟乙烯混合溶液中加入天然磁铁矿，通过震荡法负载在石墨毡表面，通过煅烧制备天然磁铁矿/炭黑/石墨毡复合阴极。与惰性阳极在含电解质溶液的电解池中组成非均相电芬顿体系，处理难降解的除草剂类有机污染物。本发明所用磁铁矿是天然矿物，价格低廉，来源广泛，利用其制备的阴极复合材料，过程简单，且具有较高的电催化活性。

技术研发人员：孙治荣;任晓丽;朱凯
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2018.12.28
技术公布日：2019.04.12