一种曝气增强压电螺旋电极对活化pms、产电和污染物降解的方法
技术领域
[0001]
本发明提供了一种用于污染控制的扰动增强产电的压电催化电极的制备及应用方法，属于废水处理技术领域，涉及到压电螺旋催化电极的制备，特别涉及到扰动曝气增强产电的压电催化燃料电池耦合光催化激活过硫酸盐(pms)去除水体中污染物的方法。
背景技术：
[0002]
压电现象是一种介于材料力学和电学特性之间的物理现象，压电材料在风、潮汐、声、大气压等环境作用力作用下发生机械变形，正电荷和负电荷在材料表面产生和积累，这些丰富的局部电荷可被直接用于诱导电化学氧化还原反应，即压电催化。
[0003]
mos2由于其在压电领域的特殊性能，得到了广泛的关注。奇数层的mos2纳米片由于具有非中心对称结构而表现出压电效应，一旦受到外力，mos2纳米片内部会立即形成电场，迫使电子和空穴反向运动，并分别积累在纳米片两侧进而引发催化反应。压电催化是一种绿色便捷的催化方法，但由于压电材料存在催化效率低的问题，因此本发明设计并构建压电燃料电池及其耦合体系来提高压电材料对污染物的去除效率。
[0004]
近年来，高级氧化技术(aop)作为处理难降解有机污染物的有效手段受到人们的广泛关注。其中基于pms的aop被认为是一种实际应用性很强的处理方法，因为它不仅可在被活化后生成大量强氧化性活性物种，而且其本身具有稳定性高、成本低和产物温和等特点。从电子转移的角度来看，压电材料可利用局部压电电荷通过电子转移过程破坏pms的o-o键，从而起到激活pms的作用，较传统激活方法如热激活更为温和和低成本。因此本发明将压电燃料电池与pms耦合，提高体系的处理能力。同时由于mos2具有光催化活性，为进一步提升体系处理能力和pms激活效率，本发明将压电燃料电池与光催化耦合激活pms来去除水体中污染物及杀灭微生物。
[0005]
本发明首次将mos2引入催化螺旋电极，通过一步水热法将mos2原位生长于碳纤维布(cc)电极上，并掺杂fe元素进一步提高其催化活性，同时通过旋拧电极平面转角制备压电螺旋催化电极增强其对机械外力感应的灵敏性从而进一步提升其压电性能。利用曝气作为机械外力提供者，应用该压电螺旋催化电极构建压电燃料电池并耦合光催化增强对pms的活化作用。将该体系应用于废水中难降解污染物的去除及水体致病微生物的杀灭，可实现废水的资源化与能源化，目前未见关于该螺旋催化压电电极以及该耦合体系的报道。
技术实现要素：
[0006]
本发明针对压电材料催化效率低的问题，提出性能良好的负载fe-mos2催化剂的螺旋催化电极的制备方法以及压电燃料电池耦合曝气、光催化增强pms活化的体系的构建方法。该体系具备优良压电催化活性和光催化活性，达到曝气扰动增强压电及其催化作用、耦合光催化作用、活化pms作用去除废水中难降解污染物的目的，同时对简便温和激活pms的方法研究提供借鉴。
[0007]
本发明的技术方案：
[0008]
一种曝气增强压电螺旋电极对活化pms、产电和污染物降解的方法
[0009]
(1)fe-mos2/cc压电螺旋催化电极的制备
[0010]
将碳纤维布在无水乙醇中浸泡后用去离子水冲洗以去除表面杂质，置于烘箱中充分干燥备用。向去离子水中加入feso4·
xh2o、na2moo4·
2h2o和ch4n2s，搅拌均匀，取混合溶液倒入反应釜中。将干净的碳纤维布放置于盛有混合溶液的反应釜中，进行水热反应。反应结束，待反应釜自然冷却至室温后，取出负载fe-mos2的碳纤维布于烘箱中充分干燥，得到平面fe-mos2/cc压电催化电极，将其对折后拧转固定，得到fe-mos2/cc压电螺旋催化电极。
[0011]
(2)压电燃料电池耦合曝气、光催化激活pms体系的构建
[0012]
搭建透光反应器，将碳纤维布作为对电极，用导线及外加电阻与fe-mos2/cc压电螺旋催化电极连接并放入反应器中，以待降解污染物溶液作为电解液。将曝气头伸入反应器底部，作为溶解氧和机械外力的提供者，以氙灯为光源置于距fe-mos2/cc压电螺旋催化电极一定距离处。反应开始时点亮氙灯、开启曝气泵并同时直接向体系投加pms即可，通过调整曝气强度，来调节产电、pms活化和降解污染物的效果。
[0013]
进一步的，所述步骤(1)中，feso4·
xh2o、na2moo4·
2h2o和ch4n2s的混合溶液中，fe和mo的物质的量浓度之比小于等于1:1，s的物质的量浓度为fe和mo的物质的量浓度之和的2-3倍。
[0014]
进一步的，所述步骤(1)中，碳纤维布与混合溶液的添加比例关系为1cm2:70ml-1cm2:0.83ml。
[0015]
进一步的，所述步骤(1)中，水热反应的温度180℃-220℃，时间15h-25h。
[0016]
进一步的，所述步骤(1)中，碳纤维布在无水乙醇中浸泡的时间为8h-24h。
[0017]
本发明的有益效果：本发明提供了一种以曝气为机械外力提供者的导电压电螺旋催化电极制备方法、压电燃料电池的搭建、耦合和应用方法以及温和激活pms的方法。将压电催化剂fe-mos2原位生长于廉价、耐腐蚀且具有导电性的碳纤维布上，通过拧转制备成有更高压电催化活性的压电螺旋催化电极，并构建压电燃料电池及其耦合体系，提高对污染物的去除效率同时亦可通过反应产生的自由基破坏微生物细胞壁及细胞膜，起到杀菌的作用，具有实际应用价值。
附图说明
[0018]
图1是压电螺旋催化燃料电池耦合光催化激活pms在有曝气和无曝气条件下反应1h后黄连素浓度变化趋势对照；
[0019]
图2是压电燃料电池耦合曝气、光催化激活pms在以压电螺旋电极和压电平面电极为工作电极条件下反应1h黄连素浓度变化趋势对照；
[0020]
图3是压电螺旋催化燃料电池体系耦合曝气、光催化在有pms和无pms条件下反应1h黄连素浓度变化趋势对照；
[0021]
图4是压电螺旋燃料电池耦合曝气在有光和无光条件下激活pms反应1h黄连素浓度变化趋势对照。
具体实施方式
[0022]
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
[0023]
实施例一：fe-mos2/cc压电螺旋催化电极的制备及压电燃料电池及其耦合体系的搭建
[0024]
催化电极制备：裁剪4
×
9cm2碳纤维布在无水乙醇中浸泡24h后用去离子水反复冲洗以去除表面杂质，置于烘箱中60℃干燥12h后得到干净碳布备用。向100ml去离子水中分别加入0.8g feso4·
xh2o、1.94g na2moo4·
2h2o和ch4n2s 1.52g，搅拌30min，取70ml混合溶液倒入反应釜中。将干净碳布紧贴釜壁浸没于盛有混合溶液的反应釜中，置于烘箱200℃下水热反应20h。反应结束，待反应釜自然冷却至室温后，取出负载fe-mos2的碳纤维布用去离子水反复冲洗后，置于烘箱中80℃干燥12h，平面fe-mos2/cc压电催化电极，将其对折后平面角旋拧90
°
固定，得到压电螺旋催化电极。压电平面催化电极制备方法与螺旋电极仅旋拧角度不同，即0
°
。
[0025]
压电燃料电池及其耦合体系的搭建：搭建长6cm宽5.5cm高14cm石英玻璃反应器，裁剪4
×
10cm2碳纤维布作对电极，用导线及10ω外加电阻与fe-mos2/cc压电催化电极连接并放入反应器中，以一定浓度待降解污染物溶液作为电解液。将曝气量为2.2l/min的曝气头伸入反应器底部，作为溶解氧和机械外力的提供者。将功率为300w的氙灯置于距催化电极10cm的位置，作为体系光源。
[0026]
实施例二：有无曝气扰动条件下压电燃料电池耦合光催化激活pms降解黄连素
[0027]
以去离子水为溶剂配置10mg/l黄连素溶液，取300ml倒入石英反应器中，将压电螺旋催化电极与对电极浸没于待反应溶液中，暗吸附30min，待吸附平衡后开启曝气泵、氙灯并同时向溶液中投加0.045g pms，标志反应开始。对照组不开启曝气泵。反应开始后每隔10min取样，利用分光光度计在343nm波长条件下测试水样吸光度，从而计算体系内黄连素的浓度变化及去除效率，用万用表测试电阻两端电压并计算电极功率密度。
[0028]
如图1是压电螺旋催化燃料电池体系在有曝气和无曝气条件下反应1h黄连素浓度变化趋势对照。由图可知，反应1h后，无曝气和有曝气条件下体系对黄连素的去除效率分别为15％和90％，电极功率密度分别为2.0
×
10-3
mw/m2和1.2
×
10-7
w/cm21.2mw/m2。说明曝气扰动可增强体系的催化活性并提升体系产电效果。
[0029]
实施例三：不同工作电极条件下压电燃料电池耦合曝气、光催化激活pms降解黄连素
[0030]
压电燃料电池构建方法与实施案例一相同只是更换不同催化电极，取样及测试方法与实施案例二相同。
[0031]
如图2为体系分别在以压电螺旋电极和压电平面电极为工作电极下反应1h黄连素浓度变化趋势对照。由图可知，反应1h后，以压电平面电极和压电螺旋电极为工作电极的体系对黄连素的去除效率分别为80％和90％，电极功率密度分别为0.13mw/m2和1.2mw/m2。说明螺旋状电极对扰动的感应更加灵敏，压电催化活性更高，电极功率密度更高。
[0032]
实施例四：有pms和无pms条件下压电燃料电池耦合曝气、光催化降解黄连素
[0033]
压电燃料电池构建方法与实施案例一相同，取样及测试方法与实施案例二相同。对照组无pms。
[0034]
如图3为体系分别在无pms和有pms条件下反应1h黄连素浓度变化趋势对照。由图
可知，反应1h后，无pms和有pms的压电燃料电池耦合体系对黄连素的去除效率分别为50％和90％，电极功率密度由2.2
×
10-3
mw/m2提升至1.2mw/m2。说明压电螺旋催化燃料电池耦合体系对pms有激活作用。
[0035]
实施例五：有光和无光条件下压电燃料电池耦合曝气激活pms降解黄连素
[0036]
压电燃料电池构建方法与实施案例一相同，取样及测试方法与实施案例二相同。对照组处于黑暗环境。
[0037]
如图4为体系分别在无光和有光条件下反应1h黄连素浓度变化趋势对照。由图可知，反应1h后，无光和有光的压电燃料电池耦合体系对黄连素的去除效率分别为80％和90％，电极功率密度由1.0mw/m2提升至1.2mw/m2。说明压电燃料电池耦合扰动曝气本身即可激活部分pms，进一步耦合光催化则可进一步提升体系对pms的激活能力及污染物的去除能力。
技术特征：
1.一种曝气增强压电螺旋电极对活化pms、产电和污染物降解的方法，其特征在于，步骤如下：(1)fe-mos2/cc压电螺旋催化电极的制备将碳纤维布在无水乙醇中浸泡后用去离子水冲洗以去除表面杂质，置于烘箱中充分干燥备用；向去离子水中加入feso4·
xh2o、na2moo4·
2h2o和ch4n2s，搅拌均匀，取混合溶液倒入反应釜中；将干净的碳纤维布放置于盛有混合溶液的反应釜中，进行水热反应；反应结束，待反应釜自然冷却至室温后，取出负载fe-mos2的碳纤维布于烘箱中充分干燥，得到平面fe-mos2/cc压电催化电极，将其对折后拧转固定，得到fe-mos2/cc压电螺旋催化电极；(2)压电燃料电池耦合曝气、光催化激活pms体系的构建搭建透光反应器，将碳纤维布作为对电极，用导线及外加电阻与fe-mos2/cc压电螺旋催化电极连接并放入反应器中，以待降解污染物溶液作为电解液；将曝气头伸入反应器底部，作为溶解氧和机械外力的提供者，以氙灯为光源置于距fe-mos2/cc压电螺旋催化电极一定距离处；反应开始时点亮氙灯、开启曝气泵并同时直接向体系投加pms即可，通过调整曝气强度，来调节产电、pms活化和降解污染物的效果。2.根据权利要求1所述的一种曝气增强压电螺旋电极对活化pms、产电和污染物降解的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，feso4·
xh2o、na2moo4·
2h2o和ch4n2s的混合溶液中，fe和mo的物质的量浓度之比小于等于1:1，s的物质的量浓度为fe和mo的物质的量浓度之和的2-3倍。3.根据权利要求1或2所述的一种曝气增强压电螺旋电极对活化pms、产电和污染物降解的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，碳纤维布与混合溶液的添加比例关系为1cm2:70ml-1cm2:0.83ml。4.根据权利要求1或2所述的一种曝气增强压电螺旋电极对活化pms、产电和污染物降解的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，水热反应的温度180℃-220℃，时间15h-25h。5.根据权利要求3所述的一种曝气增强压电螺旋电极对活化pms、产电和污染物降解的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，水热反应的温度180℃-220℃，时间15h-25h。6.根据权利要求1、2或5所述的一种曝气增强压电螺旋电极对活化pms、产电和污染物降解的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，碳纤维布在无水乙醇中浸泡的时间为8h-24h。7.根据权利要求3所述的一种曝气增强压电螺旋电极对活化pms、产电和污染物降解的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，碳纤维布在无水乙醇中浸泡的时间为8h-24h。8.根据权利要求4所述的一种曝气增强压电螺旋电极对活化pms、产电和污染物降解的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，碳纤维布在无水乙醇中浸泡的时间为8h-24h。9.权利要求1-8任一所述的方法的应用，其特征在于，利用曝气方法增强水体中难降解污染物去除及杀菌。
技术总结
本发明提供了一种曝气增强压电螺旋电极对活化PMS、产电和污染物降解的方法，属于废水处理技术领域。通过一步水热法制备Fe
技术开发人、权利持有人：柳丽芬 许琳
