一种用于电化学过滤水处理的电极及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及水处理用膜电极技术领域，尤其是一种用于电化学过滤水处理的电极。

背景技术

高效的水处理对保障人类用水和排水安全至关重要。在众多的水处理技术中，电化学技术因其对污染物的降解较彻底、能耗低、具备良好的可操控性等优点而受到人们的青睐。但传统的电化学水处理过程往往受到电极材料的性能、电极面积、反应体系传质、水体导电性等因素的限制，需要通过高性能电极的研制、反应体系的改进等手段来提高其处理效率。

通过电化学反应体系的改进，可促进液相反应体系中反应物与电极的接触，强化传质。近年来，电化学过滤技术在水处理领域受到了关注。通过驱动液相体系穿透流经电极，极大地提高了反应物与电极的接触，从而促进其在电极表面的反应，克服了传统电化学体系电极表面反应效率较低的弊端。

电化学过滤技术具有高效的处理性能和良好的应用前景，但相关高性能膜电极还有待改进和研发。目前，碳材料是电化学用膜电极制备的主要材料之一。但传统的碳材料电极反应效率还有待提高，而一些纳米碳材料也存在疏水性、分散性较差等缺陷。MXene是一种新颖的材料，可用于电化学电极的制备，以及作为一些催化剂的载体用于水处理。结合碳材料和MXene可能会提高电极的电化学性能和透水性能，而如何进一步提高水处理中对污染物的催化氧化降解性能是该类研究所需解决的关键问题之一。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供了一种用于电化学过滤水处理的电极，制备方法简便，有效提高电极的电化学性能和透水性能。

技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：一种用于电化学过滤水处理的电极及其制备方法与应用，包括MXene和对其进行修饰改性的催化成分，其结构为膜状。所述催化成分负载在MXene表面，二者合成改性MXene。

更进一步的，所述MXene基质优选为Ti

更进一步的，所述改性MXene的制备方法如下：将MXene分散于去离子水或有机溶剂中，搅拌或超声处理10～30分钟，使其均匀分散于液相体系中；然后投加具有催化类芬顿反应性能的金属或金属盐；投加适量的有机辅助溶剂，搅拌均匀后移至反应釜内加热至80～180℃，热反应4～24小时后取出，用去离子水或有机溶剂洗涤、干燥后得改性MXene。

更进一步的，所述有机溶剂选自乙醇、二甲亚砜、丙酮中的一种。

更进一步的，所述有机辅助溶剂选自乙醇、聚乙二醇中的一种。

更进一步的，电极成分还包括碳材料。所述碳材料为粉末状或膜片状，具体选自碳纳米管、氧化石墨烯、活性炭、炭黑、碳纤维、石墨中的至少一种。所述改性MXene和碳材料的质量比为1:(2-15)。

更进一步的，还包括过滤截留基质，具体选自泡沫金属滤膜、金属氧化物滤膜、陶瓷膜、有机质滤膜中的一种。

本发明还公开了上述一种用于电化学过滤水处理的电极的制备方法包括如下步骤：当碳材料为粉末状时，将改性MXene与粉末碳材料按配方质量比例在去离子水或有机溶剂中混合均匀，真空抽滤至过滤截留基质上，真空干燥，即得电极；

当碳材料为膜状时，将改性MXene直接抽滤或通过结合剂负载到碳材料的表面，干燥后即得电极。

本发明还公开了上述一种用于电化学过滤水处理的电极的应用，用作电化学过滤水处理过程中的的阳极或阴极。

有益效果：本发明具有以下优点：

1)所制备的电极比表面积较大，且具有较好的透水性，利用其构建的电过滤体系物质传质效率高，在电极表面的氧化还原反应速率快。

2)利用复合金属或金属氧化物对MXene修饰改性，可在电化学反应过程中引发新的诸如类芬顿氧化等催化反应，从而强化污染物的去除，进一步提升处理效率。

3)采用复合金属或金属氧化物改性MXene，可使链式催化反应过程中金属元素之间形成互补，提高催化剂活性和催化效率，从而提高了水处理效率。

4)膜电极制备简便，处理高效，兼具吸附、导电、催化等多种功能，适用于电化学过滤体系进行水处理。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的电极材料电化学循环伏安法测试结果图；

图2是本发明实施例2制备的电极实物照片示意图。

具体实施方式

实施例1：

将20mg Ti

图1为所制备的改性MXene电极材料电化学循环伏安测试结果图。

实施例2：

取上述实施例1中所述的改性MXene材料，进一步地将其与碳纳米管以1:3 的质量比混合加入至乙醇中超声30分钟，通过真空抽滤至孔径为0.45μm的 PVDF膜上，真空干燥后即得所需膜电极。所制备的电极实物照片见图2。

对比例1：

制备铁、钼修饰C

取上述材料与碳纳米管以1:3的质量比混合加入至乙醇中超声30分钟，通过真空抽滤至孔径为0.45μm的PVDF膜上，真空干燥后即得所需膜电极。

应用试验：

处理对象：含碘化造影剂类药物废水，进水污染物浓度约为20mg/L。

选用实施例2或对比例1的电极，为避免电极材料吸附对其电催化降解效率考察的影响，电化学反应前预先将电极吸附饱和。电化学处理效果见表1。

表1电化学过滤水处理效率

从表1可以看出，本发明制备的用于电化学过滤水处理的电极，有效提高电极的电化学性能，污染物去除效果好。