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一种新型石墨电极的制备及其对苯酚的去除_黄星发

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一种新型石墨电极的制备及其对苯酚的去除

黄星发,郑正*,王曦曦,方彩霞

(南京大学环境学院,污染控制与资源化利用国家重点实验室,南京󰀁210093)摘要:为了探索一种对有机废水处理有效、廉价、来源广泛、环境友好的电极,以石墨、环氧树脂、固化剂和丙酮为原料,研究制备了一种新型石墨电极(NGE).分别采用热水浸泡、乙醇溶液回流、丙酮回流、超声-丙酮回流以及电化学法对制备的石墨电极进行预处理,前三者效果较差,超声-丙酮回流可改善处理效果,但不够理想,电化学法可取得满意的效果.苯酚降解的UV光谱分析表明,尽管商品石墨电极(CGE)比NGE具有更高的苯酚氧化效率,但其电解液积累大量的苯醌,而NGE电解液中苯醌积累量少,并且电解过程中逐渐降低.NGE比CGE具有更好的TOC去除效果,两者TOC去除率分别为40%和31%.SEM分析结果表明,CGE被严重腐蚀,NGE无明显变化,表现出良好的稳定性.关键词:石墨电极;苯酚;苯醌;电化学降解;UV光谱中图分类号:X505󰀁文献标识码:A󰀁文章编号:0250-3301(2009)05-1408-06

收稿日期:2008-08-27;修订日期:2008-11-18作者简介:黄星发(1976~),男,博士研究生,主要研究方向为水污染控制,E-mail:huangxingfa@163󰀁com*通讯联系人,E-mail:zzheng@nju.edu.cnPreparationofaNovelGraphiteElectrodeandItsEffectonPhenolDegradation

HUANGXing-fa,ZHENGZheng,WANGX-ixi,FANGCa-ixia(StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse,SchooloftheEnvironment,NanjingUniversity,Nanjing210093,China)Abstract:Inordertofindaneffective,stable,environmentallycompatibleelectrodefortheeliminationoforganicpollutants,preparationofanovelgraphiteelectrode(NGE)wasexploredusinggraphite,epoxyresin,curingagentandacetoneasmaterials.Water,ethanolaqueoussolution,acetone,ultrasound-acetoneandelectrochemicalmethodwereusedtopretreattheelectrode.Thefirstthreemethodsobtainedpooreffect.Ultrasound-acetonecouldimprovethepretreatment,butsatisfiedresultsweredifficulttoachieve.Electrochemicalmethodcouldworkeffectively.ElectrochemicaloxidationofphenolwascarriedoutonNGEandcommercialgraphiteelectrode(CGE),respectively.UVspectroscopywasusedtostudyevolutionofphenoloxidation.TheresultsshowedthatCGEresultedinaccumulationofbenzoquineintheelectrolyte,thoughitwasmoreeffectivethanNGEonphenoloxidation.WhilemuchlessbenzoquinonewasfoundintheelectrolyteforNGE.TOCremovalratewere40%and31%forNGEandCGE,respectively.SEMstudyshowedthatCGEwasseverelycorrodedafterphenoldegradation,whileNGEwasundamaged,showinggoodstability.Keywords:graphiteelectrode;phenol;benzoquinone;electrochemicaloxidation;UVspectrum

󰀁󰀁随着现代工农业的高速发展,有机废水污染成

为一个日益突出的水环境问题.许多有机污染物由于毒性强、难于生物降解,对其进行有效处理难度

大.近年来,电化学法成了这类污染物处理的一个

新方向.采用电化学法处理有机污染物,电极是具有决定作用的因素.理想的电极材料应具有高的电

化学活性、良好的稳定性、好的导电性,并且来源广泛、价格低廉、环保无二次污染.目前,用于电化学

处理有机污染物的电极主要有Pt[1]、C[2,3]、PbO2[4,5]、

RuO2[6]、Ti󰀁SnO2[7]、Ti󰀁TiO2-RuO2-IrO2[8]、Ti󰀁SnO2-

Sb2O5[9]和掺杂B金刚石电极(BDD)[10,11].这些材

料中,研究得较多的是PbO2和BDD,两者表现出高

的电化学活性和良好的稳定性.但PbO2会析出有

害离子而导致二次污染,BDD价格昂贵,这使得二

者的应用受到限制.石墨具有导电性好、来源广泛、价格低廉、环保无二次污染的特点.研究表明,石墨

电极可将苯酚[10]和Ofloxacin[3]氧化分解成H2O和

CO2.但碳电极总的来说效果差、稳定性不好[2,3].提高其处理效果及稳定性,可望为电化学处理有机污

染物提供一种适宜的电极.

环氧树脂是一种广泛应用的化工原料,可与固化剂发生交联反应形成网状结构,具有良好的力学

性能和稳定性.实验以石墨、环氧树脂、固化剂的丙

酮为原料,探索制备了一种新型石墨电极(novel

graphiteelectrode,NGE).苯酚毒性高、化学需氧量大、难于生物降解,可作为难降解有机污染物的模式

物质.因此,采用制备的NGE,研究了其对苯酚的氧

化去除效果.

1󰀁材料与方法

1󰀁1󰀁电极制备

高纯石墨粉使用前经预处理,按1󰀁6L󰀁kg的量,石墨粉在75%的乙醇溶液中搅拌浸泡30min,过滤,第30卷第5期2009年5月环󰀁󰀁境󰀁󰀁科󰀁󰀁学ENVIRONMENTALSCIENCEVol.30,No.5May,2009500mL75%的乙醇溶液淋洗,135󰀁烘干4h,密封干

燥备用.电极的制备以高纯石墨、618环氧树脂、

593固化剂为原料.按4󰀁1的质量比称取环氧树脂和固化剂,加入10mL丙酮溶解,倒入20󰀁00g高纯

石墨粉中,充分搅拌10min,混合均匀直至变成粘结

状,装入内径1󰀁7cm的模具,在138N󰀁cm2的压力下压制成型,脱去模具,室温下自然固化12h,150󰀁烘

烤2h.

分别采用热水、乙醇溶液、丙酮、超声-丙酮以及电化学法对制备的石墨电极进行预处理.热水浸

泡:将电极置500mL蒸馏水中,60󰀁下浸泡,1h后

换水重新浸泡,如此反复,期间对浸出液进行UV光谱扫描分析.乙醇溶液浸泡:热水浸泡处理后电极,

于250mL25%乙醇溶液中沸腾回流,期间取回流液

进行UV光谱分析.丙酮处理:新制备电极于250mL丙酮中沸腾回流一定时间,60mL丙酮淋洗,

120󰀁烘干1h,500mL蒸馏水煮沸1h,对其浸出液

进行UV光谱分析.超声-丙酮处理:新制备电极置100mL丙酮中,超声处理1h,于250mL丙酮中煮沸

回流10h,60mL丙酮淋洗,120󰀁烘干1h,500mL蒸

馏水煮沸1h,UV光谱分析;另一电极超声处理1󰀁5h,250mL的丙酮沸腾14h,60mL丙酮淋洗,120󰀁

烘干1h,用于电解0󰀁1mol󰀁LNa2SO4溶液,取电解液

进行UV光谱分析.电化学处理:以普通商品石墨电

极(commercialgraphiteelectrode,CGE)作阳极和阴极,制备的石墨电极与阳极平行紧贴并用棉线将其

固定于阳极上,其一端与阳极端相平,置于阴阳极之

间并与阴极相距0󰀁5cm.以含0󰀁1mol󰀁L无水醋酸钠的体积比为50󰀁40󰀁10的丙酮󰀁水󰀁冰醋酸溶液250

mL为电解液.电解前电极于电解液中搅拌浸泡0󰀁5

h,后于23󰀁0V下电解10h.电解槽口用聚乙烯薄膜覆盖防止电解液挥发,电解液恒温在25󰀁󰀂1󰀁.电

解结束后,石墨电极用60mL丙酮以0󰀁6~0󰀁8

mL󰀁min的速度淋洗,125󰀁烘2h.1󰀁2󰀁电解实验

分别以预处理后的石墨电极和CGE作阳极,不

锈钢304作阴极,0󰀁1mol󰀁LNa2SO4作电解液,苯酚

降解实验中,另含200mg󰀁L苯酚,体积均为200mL,

电流密度19mA󰀁cm2,电解面积20󰀁6cm2,阴阳极间

距1󰀁0cm,温度25󰀁󰀂1󰀁,磁力搅拌.

2󰀁结果与讨论

2󰀁1󰀁树脂用量对石墨电极性能的影响环氧树脂的用量,以石墨电极具有足够的强度和稳固性,同时电阻尽可能小为宜.加入的树脂量

越多,其形成的固化物就越牢固,但其电阻也越大,

这不利于提高处理效率.实验研究了不同用量树脂

对石墨电极性能的影响,对不同树脂含量石墨电极

电阻率进行测定分析,结果如表1.表1󰀁不同树脂用量石墨电极电阻率Table1󰀁Resistivityofthegraphiteelectrodecontainingdifferentamountofepoxyresin树脂󰀁石墨(质量比)󰀁%10203050电阻率󰀁󰀁󰀁cm18󰀁235󰀁560󰀁816500

󰀁󰀁由表1可见,树脂用量越大,电极电阻率也越

大.在树脂󰀁石墨为10%~30%时,随着比值的增

大,电极电阻率线性增加.当增大至一定程度时,电

阻率的增加与树脂用量不再呈线性关系,而是大于

这一线性值,树脂󰀁石墨为50%时,其电阻率为

16500󰀁󰀁cm,是10%时电阻率的906󰀁6倍.将使用各树脂量的石墨电极用于电解实验,考

察其稳定性.由于树脂󰀁石墨为50%的电极电阻率

太大,不适于用作电极.因此,只采用树脂󰀁石墨为

10%、20%和30%的石墨电极进行实验.各电极用

于电解0󰀁1mol󰀁LNa2SO4,电解过程中有可溶性物质

释出,产生白色泡沫,对电解液进行UV光谱分析,发现其在UV区有吸收峰.4h后停止电解,观察各

电极变化,发现树脂󰀁石墨为10%的电极受到侵蚀,

石墨松散,而树脂󰀁石墨为20%和30%的电极完好

无损.由于树脂用量少时电阻率也小,有利于提高

电流效率,因此,选取树脂󰀁石墨为20%的电极进行

进一步的研究.

2󰀁2󰀁电极预处理

在2󰀁1不同树脂用量石墨电极电解实验中,有可溶性物质释出,这增加了水的有机负荷,导致二次

污染,不利于有机废水的处理.因此,需对制备的电

极进行预处理,除去其中的可溶出物质,方可用于有

机废水的电化学处理.实验探索了不同方法对石墨

电极预处理的效果.

2󰀁2󰀁1󰀁热水浸泡处理

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基于加压酸浸工艺的天然石墨低氟提纯方法

基于加压酸浸工艺的天然石墨低氟提纯方法

第32卷第3期2022年05月黑龙江 科技大 学学报Journal of Heilongjiang University of Science & TechnologyVol. 32 No. 3May 2022

基于加压酸浸工艺的天然石墨低氟提纯方法

周国江1,王浩2,王娇2,公旭中'

(1•黑龙江科技大学环境与化工学院，哈尔滨150022； 2.鸡西市唯大新材料科技有限公司，黑龙江鸡西158100；3.中国科学院过程工程研究所战略金属资源绿色循环利用国家工程研究中心，北京100190)

摘 要:石墨经氢氟酸法提纯后环保成本高，且产品纯度不能满足现状。采用3种改进工艺对 天然石墨提纯，研究改进工艺条件下不同石墨原料的浸出效果，得到最佳的石墨原料与工艺，并对相

应样品进行X射线衍射和扫描电子显微镜表征。结果表明：在温度50 °C、氮气压力3 MPa条件下，可

将球形石墨尾料的纯度由97.69%提高至99. 54% ；改进的工艺中，以球形石墨尾料为原料的无氟酸

浸-焙烧活化-加压酸浸法，不仅可得到99.979%的高纯石墨，而且可从源头减少环保成本。关键词：石墨提纯；无氟酸浸-焙烧活化-加压酸浸法

doi：10.3969/j. issn. 2095 -7262.2022.03.013

中图分类号:TQ127.il

文章编号:2095 -7262( 2022) 03- 0345 - 06 文献标志码:A

Low-fluorine purification method of natural graphite

based on pressurized acid leaching process

Zhou Guojiang1, Wang Hao" , Wang Jiao1, Gong Xuzhon^

(1・ School of Environmental & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China;2. Jixi City Weida New Material Technology Co. Ltd. , Jixi 158100, China； 3. National Engineering Research Center ofGreen Recycling for Strategic Metal Resources, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

电化学电极的制备和性能调控

电化学电极的制备和性能调控

电化学电极的制备和性能调控

电化学电极是电化学反应的关键组件，其制备和性能调控对于电化学反应的效率和稳定性有着至关重要的作用。本文将探讨电化学电极的制备和性能调控的相关理论和方法。

一、电化学电极制备方法

1.溶液沉积法

溶液沉积法是最常用的电化学电极制备方法之一。该方法利用电化学原理，通过电解将金属离子还原成沉积在电极上的金属层。该方法制备的电极膜均匀、致密，可以控制膜的厚度和电极材料的组成。

2.物理气相沉积法

物理气相沉积法是一种采用真空蒸发技术制备电极的方法。该方法利用真空蒸发技术将电极材料源蒸发成气态，沉积在基底上并形成电极膜。该方法可以制备高质量的电极材料，但是制备过程复杂，设备成本较高。

3.电化学原子层沉积法

电化学原子层沉积法是一种新型制备电极的方法，可以制备高质量的电极材料并且具有高度的可控性。该方法利用气态反应物质在电极表面反应，生成一层原子尺度的薄膜。该方法可以制备双层电极材料，并对其结构和性质进行精确控制。

二、电化学电极性能调控方法

1. 表面形貌调控

电化学电极表面形貌是影响电化学反应的重要因素之一。通过改变电极表面形貌，可以调节电极的催化活性和稳定性。常用的表面形貌调控方法包括电化学氧化、电化学析出、化学氧化等。

2. 成分调控

除了表面形貌的调控，电化学电极成分的调控也是影响电化学反应的重要因素之一。通过改变电极材料的成分，可以调节电极的催化活性、稳定性和选择性。常用的成分调控方法包括材料掺杂、表面修饰等。

3. 结构调控

电化学电极的结构也对其催化活性和稳定性有着重要的影响。通过改变电极的结构，可以调节其内部电子结构、表面活性位点等关键参数，从而提高电极的电化学反应性能。常用的结构调控方法包括纳米化、形貌控制等。

三、电化学电极应用

电化学电极广泛应用于电化学动力学研究、电催化、能量储存和转化等领域。例如，在电化学能源转化中，电化学电极被广泛应用于氢气生产、二氧化碳还原为燃料、锂离子电池等领域。

五氧化二钒电极的制备及其在电化学储能中的应用

五氧化二钒电极的制备及其在电化学储能中的应用

五氧化二钒电极的制备及其在电化学储能中的应用

在当今的能源危机中，电化学储能技术被认为是一个具有重要应用价值的领域，具有储存大量能量、高效转换和灵活性等特点。五氧化二钒是一种能够在电化学储能中扮演着重要角色的电极材料。本文主要探讨五氧化二钒电极的制备方法及其在电化学储能中的应用。

一、五氧化二钒电极的制备方法

五氧化二钒，又称钒(V)氧化物，化学式为V2O5，是一种灰黑色的固体，具有良好的电化学性能。五氧化二钒电极的制备方法一般分为化学法和物理法两种。

1. 化学法

化学法制备五氧化二钒电极的方法较为简单易行，主要是通过溶液合成来制备。

首先，将氢氧化钒或氯化钒溶解在氢氧化钠溶液中，形成一定浓度的V2O5溶液。将此溶液加热至70-100℃并搅拌，让V2O5逐渐析出。待溶液降温至室温后，将析出的V2O5颗粒用水洗涤至中性，在阴凉处放置静置，待溶液中的V2O5颗粒沉淀后，收集沉淀物并在空气中干燥即可。 2. 物理法

物理法制备五氧化二钒电极的方法较为复杂，但所制备出的电极性能较佳，主要有以下几种方法：

（1）直接固相合成法

该方法将V2O5与一定比例的碳酸氢钠混合，并在空气条件下加热至800℃左右，得到粒径较小的V2O5粉末。

（2）溶胶-凝胶法

该方法先将三氧化钒和硝酸等混合物制成溶液，然后在旋转薄膜下将该溶液制成凝胶，最后在空气中加热煅烧，得到高效的V2O5粉末。

（3）堆积法

该方法将V2O5粉末、在某种介质中溶解的粘合剂和成型剂混合后，经过制备、压实、干燥、增收等工艺步骤，形成具有一定形状的V2O5电极。

二、五氧化二钒电极的应用

五氧化二钒电极作为电化学储能领域中的重要材料，具有高放电电位、高比容量、较好的电化学稳定性等优点。其应用范围较广，以下是五氧化二钒电极在电化学储能中的几个重要应用：

1. 锂离子电池 五氧化二钒电极是一种重要的正极材料，目前已广泛应用于通讯、电视、笔记本电脑、电动工具等锂离子电池系统中，其高能量密度和较长寿命成为其在锂离子电池中广泛应用的关键原因之一。

空气电极的制备

空气电极的制备

空气电极的制备

本文介绍了如何制备一种空气电极，该电极可用于燃料电池和电化学储能器件等领域。具体步骤如下：

材料准备：

1.碳材料：如炭黑、活性炭等。

2.催化剂：如Pt、Pd等。

3.导电剂：如碳黑、石墨等。

4.粘合剂：如聚四氟乙烯等。

5.溶剂：如异丙醇、水等。

步骤：

1.制备碳载体：将碳材料加入溶剂中，并在适当条件下进行搅拌和超声处理，制备出均匀的碳载体浆料。

2.加入催化剂：将催化剂加入碳载体浆料中，并进行充分混合和分散。

3.加入导电剂：将导电剂加入碳载体和催化剂的混合物中，并进行充分混合和分散。

4.加入粘合剂：将粘合剂加入混合物中，制备出粘稠的电极浆料。

5.涂覆电极：将电极浆料涂覆在导电材料上，并进行干燥和烧结，制备出具有良好导电性和催化性能的空气电极。

以上就是空气电极制备的基本步骤，制备好的电极可以用于燃料电池和电化学储能器件等领域，具有良好的性能和稳定性。随着材料科学的不断发展，空气电极的制备工艺也在不断创新和进步。