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(lái)備受關(guān)注的高級(jí)氧化技術(shù)之一，利用電化學(xué)法電解產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的.0Η來(lái)氧化廢水中的有機(jī)物?；趥鹘y(tǒng)Fenton試劑的作用機(jī)理，電Fenton也是由H2O2和Fe2+反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的.0Η。在電Fenton體系中，通過(guò)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(jī)物。Fe 3+在陰極會(huì)發(fā)生的還原反應(yīng)產(chǎn)生Fe2+，使Fenton反應(yīng)得以繼續(xù)進(jìn)行。此技術(shù)具有花費(fèi)低，設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，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(gè)難點(diǎn)，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(qiáng)的穩(wěn)定性，優(yōu)良的導(dǎo)電性，較高的析氫點(diǎn)位等優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)，耐高溫，機(jī)械強(qiáng)度高，吸附能力強(qiáng)等，是一種實(shí)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(shí)，H2O2產(chǎn)生效率不高，影響電Fenton系統(tǒng)降解有機(jī)物的效果，因此開發(fā)新型高效、簡(jiǎn)單易行的碳纖維改性方法，增加其氧化還原活性點(diǎn)位，對(duì)促進(jìn)電Fenton體系陰極材料的開發(fā)，以及電Fenton處理有機(jī)廢水技術(shù)的實(shí)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(duì)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(lái)實(shí)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(fù)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(jī)物，
干燥后得到預(yù)處理后的碳纖維材料。
[0007](2)水熱處理:將步驟(I)預(yù)處理后的碳纖維材料浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1~10%的葡萄糖水溶液中，超聲處理1-2小時(shí)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(jìn)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(jī)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(jiǎn)單，材料便宜易得，易于推廣應(yīng)用。
[0012]3.通過(guò)本發(fā)明方法所得的改性碳纖維，其表面原位負(fù)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(diǎn)位；原位生成的碳納米球表面具有更多的親水基團(tuán)，有利于促進(jìn)溶液中電極材料的界面?zhèn)髻|(zhì)過(guò)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(fù)使用性。
【附圖說(shuō)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(diǎn)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(fù)使用性能。
【具體實(shí)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(fù)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(fù)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(zhǎng)等特點(diǎn)。碳纖維表面負(fù)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(diǎn)位。原位負(fù)載的納米球表面具有更多的親水基團(tuán)，接觸角由原來(lái)的145°下降至126°，有利于促進(jìn)溶液中電極材料的界面?zhèn)髻|(zhì)過(guò)程。圖3a和b分別為圖2中a和b兩點(diǎn)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(fù)載的納米球?yàn)樘技{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?yàn)榭招牡募{米球。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。
[0017]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0018]實(shí)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(jìn)行去油處理，浸泡時(shí)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(jī)物。將材料至于烘箱中，80°C烘干，徹底去除殘余丙酮，獲得預(yù)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?jǐn)?shù)為1%的葡萄糖溶液中，超聲處理1-2小時(shí)，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(shí)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(jìn)行去油處理，浸泡時(shí)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(jī)物。將材料至于烘箱中，80°C烘干，徹底去除殘余丙酮，獲得預(yù)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?jǐn)?shù)為10%的葡萄糖溶液中，超聲處理1-2小時(shí)，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(shí)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(jìn)行去油處理，浸泡時(shí)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(jī)物。將材料至于烘箱中，80°C烘干，徹底去除殘余丙酮，獲得預(yù)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?jǐn)?shù)為10%的葡萄糖溶液中，超聲處理1-2小時(shí)，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(shí)施例4:本實(shí)施例將實(shí)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(jī)廢水處理。
[0028]將該實(shí)施例獲得的改性碳纖維作為電Fenton體系的陰極材料，進(jìn)行電鍍廢水有機(jī)物降解能力的實(shí)驗(yàn)。在PH為3，外加催化劑Fe2+濃度為2 mmol/L時(shí)，電鍍廢水COD降解效果如圖4所示。從圖4可知，該實(shí)施例1、2和3獲得的改性碳纖維材料用作陰極時(shí)，反應(yīng)30 min時(shí)COD的去除效率達(dá)到79%~81%，約為改性前未處理碳纖維陰極的2.7倍，在60 min時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例1、2和3制備得到的材料的COD去除率達(dá)到92%~94%，約為改性前未處理碳纖維陰極的1.7倍；說(shuō)明這種原位負(fù)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(duì)有機(jī)物的去除能力。
[0029]從圖5可知，該實(shí)施例1獲得的改性碳纖維陰極材料在電Fenton體系中經(jīng)過(guò)20次重復(fù)使用后，對(duì)有機(jī)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(fù)使用性。
[0030]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)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(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)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(xiàng)】
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(fù)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(jī)物，干燥后得到預(yù)處理后的碳纖維材料； (2)水熱處理:將步驟(I)預(yù)處理后的碳纖維材料浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1~10%的葡萄糖水溶液中，超聲處理1-2小時(shí)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(jī)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(fù)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(shí)現(xiàn)了碳納米球的原位負(fù)載，從而增加了表面反應(yīng)活性點(diǎn)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(qiáng)有機(jī)物的去除能力。本發(fā)明方法操作簡(jiǎn)單，方便可控，對(duì)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(hào)】CN104805682
【申請(qǐng)?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(qǐng)人】浙江冶金環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)研究有限公司
【公開日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年4月17日