一种电催化双阴极反应膜的制备方法和装置及水处理方法与流程

本发明涉及电化学水处理，特别是涉及一种电催化双阴极反应膜的制备方法和装置及水处理方法。

背景技术：

1、在我国水处理设施建设不断推进的同时，受到关注的往往是成分复杂的高浓度有机废水，然而低浓度的有机废水因为处理成本高和技术难度大以及危害性不如高浓度大等因素，很少得到处理和关注。目前，在水处理难降解有机物方面，高级氧化技术是非常具有前景的，其中利用电芬顿技术是一项新发展出来的技术。相比较与传统的芬顿反应，其利用fe2+与h2o2在系统中产生后立即反应生成-oh，由于-oh的氧化电位高，能对几乎所有的有机分子存在不同强度的氧化分解作用。

2、目前，在利用电芬顿技术进行水处理的装置中，通常在装置内仅能合成其中一种反应物(fe2+或h2o2)，而另一种需要通过外部加入，针对该类装置中利用氧气在阴极发生两电子还原产生h2o2，虽然不需要额外投加h2o2，不易产生有毒的中间产物，但是由于需要额外利用氧气，由此使得反应装置需要有反应曝气结构或者添加氧气的结构，并且在反应过程中需要有反应曝气或添加氧气的过程，不仅增加了装置的结构复杂度还增加了反应过程的时间，水处理效率低。但若采用直接向反应装置内额外添加氧化剂的方法产生h2o2，不仅存在氧化剂残留的问题，而且也限制了这类水处理装置的大规模、多场景应用。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电催化双阴极反应膜的制备方法和装置及水处理方法，以解决现有技术中因反应物无法均由内部合成得到导致的装置结构复杂和水处理效率低以及氧化剂残留、应用受限的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的一技术方案提供一种电催化双阴极反应膜装置，包括反应腔体以及设置在反应腔体内的双阴极反应膜，所述双阴极反应膜包括从上至下依次设置在所述反应腔体内的第一阴极板、阳极板和第二阴极板，所述反应腔体内具有从上至下依次设置并分置所述第一阴极板、阳极板和第二阴极板的第一阴极室、阳极室和第二阴极室，所述反应腔体上形成有与第一阴极室连通的进水口以及与第二阴极室连通的出水口。

3、进一步的，所述第一阴极板包括第一阴极基材以及沉积于所述第一阴极基材表面的第一阴极石墨烯层片；所述第一阴极板的厚度为5～30mm，所述第一阴极石墨烯层片的高度为5～15μm，所述第一阴极石墨烯层片的尺寸为1～10μm。

4、进一步的，所述第二阴极板包括第二阴极基材以及从内之外依次层叠沉积于所述第二阴极基材表面的第二阴极石墨烯层片和二茂铁微粒层；所述第二阴极板的厚度为5～30mm，所述第二阴极石墨烯层的高度为5～15μm，所述第二阴极石墨烯层片的尺寸为1～10μm。

5、进一步的，所述阳极板包括阳极基材以及沉积于所述阳极基材表面的阳极石墨烯层片，所述阳极基材上形成有若干微孔；所述阳极基材的厚度为5～30mm，所述微孔的孔径为10～30μm，所述阳极石墨烯层的高度为5～15μm，所述阳极石墨烯层片的尺寸为1～10μm。

6、进一步的，所述反应腔体中还设置有位于第一阴极板与阳极板之间的第一绝缘隔膜以及位于阳极板与第二阴极板之间的第二绝缘隔膜，所述第一绝缘隔膜和第二绝缘隔膜将所述反应腔体分隔形成所述第一阴极室、阳极室和第二阴极室；所述第一绝缘隔膜和第二绝缘隔膜上均形成有若干孔隙，所述孔隙的尺寸为10～100μm。

7、为解决上述技术问题，本发明的另一技术方案提供一种电催化双阴极反应膜的制备方法，用于制备如上所述的双阴极反应膜，包括以下步骤：

8、将原材料分别制备成与反应腔体的内腔形状相适配的第一阴极基材、第二阴极基材和阳极基材；

9、对第一阴极基材、第二阴极基材和阳极基材进行预处理；

10、分别在预处理后的第一阴极基材、第二阴极基材和阳极基材上沉积第一阴5极石墨烯层片、第二阴极石墨烯层片以及阳极石墨烯层片。

11、进一步的，在所述分别在预处理后的第一阴极基材、第二阴极基材和阳极基材上沉积第一阴极石墨烯层片、第二阴极石墨烯层片以及阳极石墨烯层片的步骤中，沉积所述第一阴极石墨烯层片、第二阴极石墨烯层片以及阳极石墨烯层片的具体方法为：0分别采用pecvd工艺，向真空炉中同时通入碳源气体和保护气体，接通直流电源解离碳源气体使碳元素沉积至第一阴极基材的表面形成第一阴极石墨烯层片、沉积至第二阴极基材的表面形成第二阴极石墨烯层片以及沉积至阳极基材的表面形成阳极石墨烯层片。

12、进一步的，在进行沉积时，真空炉的压力为2～5torr，碳源气体的流量为5 10～50sccm，保护气体的流量为500～2000sccm，沉积功率为300～800w，沉积

13、时间为10～30min。

14、进一步的，在所述分别在预处理后的第一阴极基材、第二阴极基材和阳极基材上沉积第一阴极石墨烯层片、第二阴极石墨烯层片以及阳极石墨烯层片的

15、步骤之后，还包括以下步骤：

16、0在第二阴极石墨烯层片上沉积二茂铁微粒层；其中沉积二茂铁微粒层的具体方法为：

17、将沉积有第二阴极石墨烯层片的第二阴极基材置于真空炉中对应于抽气端的位置处，并将二茂铁置于真空炉的加热区进行加热；向真空炉中通入保护气

18、体，启动抽气，使加热形成的二茂铁颗粒附着于第二阴极石墨烯层片上形成二5茂铁微粒层；所述加热区的温度为800～900℃。

19、为解决上述技术方案，本发明的又一技术方案提供一种水处理方法，利用如上所述的电催化双阴极反应膜装置或如上所述的电催化双阴极反应膜的制备方法制备得到的双阴极反应膜进行水处理。

20、本发明通过设置成上下依次排布的第一阴极板、阳极板和第二阴极板，电芬顿反应所需的h2o2和fe2+可分别在第一阴极板和第二阴极板上产生，无需从外部额外添加fe2+或h2o2，使得整个装能能够在封闭的终端中使用，并且无氧化物残留，符合环境保护的要求，并且无需设置额外的结构来添加或生成h2o2和fe2+；同时，设置第一阴极板和第二阴极板，能够分别在第一阴极板和第二阴极板施加不同的电流，能够在反应腔体中同时实现h2o2的生成和fe3+的还原，置于中间的阳极板通过电解水产生o2，o2向上冒出接触第一阴极板并在其上转化生成h2o2，充分利用电解水产生的o2生成h2o2，同时，由于整个装置呈上下布置，水流在水压和重力作用下向下流动，产生的h2o2被水流带到第二阴极板，在第二阴极板上经过二茂铁的催化转化为-oh，以去除小分子有机物，如此循环，可以持续反应有效降解低浓度有机物且能高效杀菌，并且不会在水中残留氧化剂，不仅适用于大型污水处理厂，还能够作为终端产品直接安装在用户端作为净水设备使用，不受使用环境的限制。

技术特征：

1.一种电催化双阴极反应膜装置，包括反应腔体以及设置在反应腔体内的双阴极反应膜，其特征在于，所述双阴极反应膜包括从上至下依次设置在所述反应腔体内的第一阴极板、阳极板和第二阴极板，所述反应腔体内具有从上至下依次设置并分置所述第一阴极板、阳极板和第二阴极板的第一阴极室、阳极室和第二阴极室，所述反应腔体上形成有与第一阴极室连通的进水口以及与第二阴极室连通的出水口。

2.根据权利要求1所述的一种电催化双阴极反应膜装置，其特征在于，所述第一阴极板包括第一阴极基材以及沉积于所述第一阴极基材表面的第一阴极石墨烯层片；所述第一阴极板的厚度为5～30mm，所述第一阴极石墨烯层片的高度为5～15μm，所述第一阴极石墨烯层片的尺寸为1～10μm。

3.根据权利要求1所述的一种电催化双阴极反应膜装置，其特征在于，所述第二阴极板包括第二阴极基材以及从内之外依次层叠沉积于所述第二阴极基材表面的第二阴极石墨烯层片和二茂铁微粒层；所述第二阴极板的厚度为5～30mm，所述第二阴极石墨烯层的高度为5～15μm，所述第二阴极石墨烯层片的尺寸为1～10μm。

4.根据权利要求1所述的电催化双阴极反应膜装置，其特征在于，所述阳极板包括阳极基材以及沉积于所述阳极基材表面的阳极石墨烯层片，所述阳极基材上形成有若干微孔；所述阳极基材的厚度为5～30mm，所述微孔的孔径为10～30μm，所述阳极石墨烯层的高度为5～15μm，所述阳极石墨烯层片的尺寸为1～10μm。

5.根据权利要求1所述的一种电催化双阴极反应膜装置，其特征在于，所述反应腔体中还设置有位于第一阴极板与阳极板之间的第一绝缘隔膜以及位于阳极板与第二阴极板之间的第二绝缘隔膜，所述第一绝缘隔膜和第二绝缘隔膜将所述反应腔体分隔形成所述第一阴极室、阳极室和第二阴极室；所述第一绝缘隔膜和第二绝缘隔膜上均形成有若干孔隙，所述孔隙的尺寸为10～100μm。

6.一种电催化双阴极反应膜的制备方法，用于制备如权利要求1～5任一项所述的双阴极反应膜，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的电催化双阴极反应膜的制备方法，其特征在于：在所述分别在预处理后的第一阴极基材、第二阴极基材和阳极基材上沉积第一阴极石墨烯层片、第二阴极石墨烯层片以及阳极石墨烯层片的步骤中，沉积所述第一阴极石墨烯层片、第二阴极石墨烯层片以及阳极石墨烯层片的具体方法为：

8.根据权利要求7所述的电催化双阴极反应膜的制备方法，其特征在于，在进行沉积时，真空炉的压力为2～5torr，碳源气体的流量为10～50sccm，保护气体的流量为500～2000sccm，沉积功率为300～800w，沉积时间为10～30min。

9.根据权利要求6所述的电催化双阴极反应膜的制备方法，其特征在于：在所述分别在预处理后的第一阴极基材、第二阴极基材和阳极基材上沉积第一阴极石墨烯层片、第二阴极石墨烯层片以及阳极石墨烯层片的步骤之后，还包括以下步骤：

10.一种水处理方法，其特征在于，利用如权利要求1～5任一项所述的电催化双阴极反应膜装置或如权利要求6～9任一项所述的电催化双阴极反应膜的制备方法制备得到的双阴极反应膜进行水处理。

技术总结
本发明公开了一种电催化双阴极反应膜的制备方法和装置及水处理方法，包括反应腔体以及设置在反应腔体内的双阴极反应膜，所述双阴极反应膜包括从上至下依次设置在所述反应腔体内的第一阴极板、阳极板和第二阴极板，所述反应腔体内具有从上至下依次设置并分置所述第一阴极板、阳极板和第二阴极板的第一阴极室、阳极室和第二阴极室，所述反应腔体上形成有与第一阴极室连通的进水口以及与第二阴极室连通的出水口。与现有技术相比，本发明的能够在内部产生电芬顿反应所需的两种反应物，无需额外添加氧化剂，能在封闭环境终端中使用，不仅适用于大型污水处理厂，而且可以作为小型化的终端产品直接安装在用户端作为净水设备使用。

技术研发人员：罗理,赵纯,黄世耀
受保护的技术使用者：重庆信合启越科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13