使用多孔碳电极的水净化制造技术

公开了一种包含多孔碳材料的水净化电极。该电极可以被用作electro‑peroxone工艺中的流通式阴极，为电化学废水处理提供高H2O2产生活性。多孔碳材料是一种不含粘合剂的碳结构，其使得H2O2能够在阴极处原位电生成。多孔碳材料可以由间苯二酚合成，并且可以提供200m

Water Purification Using Porous Carbon Electrodes

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用多孔碳电极的水净化相关申请的交叉引用本申请要求于2017年2月9日提交的美国临时专利申请系列号62/456,860的权益，其通过引用以其整体并入本文。
本专利技术总体上涉及水处理，并且更具体地，涉及利用electro-peroxone(e-peroxone)工艺的水净化技术。背景已经开发了不同系统用于从水中去除污染物。这些系统的实例包括废水处理系统以及脱盐系统，所述废水处理系统采用各种方法，诸如过滤、物理吸附和/或高级氧化工艺(AOP)来处理水中的有机污染物、无机污染物和生物污染物。过滤是其中通过尺寸排阻物理地去除污染物的过程。已知的过滤过程包括例如反渗透和微滤。过滤的缺点包括污染物堵塞过滤器孔，经常导致污垢和过滤器的频繁更换。在某些应用中，这可能导致高的维护成本。物理吸附涉及将污染物从水性介质转移出并进入到吸附剂材料中。颗粒状活性炭(GAC)、粉末活性炭(PAC)和生物炭是已知的用于水净化的吸附材料。虽然这些材料能够去除宽范围的污染物，但是废吸附剂的处理和再生可能是有问题的。高级氧化工艺(AOP)包括许多不同技术，包括臭氧化、电化学氧化、光氧化、peroxone(臭氧/过氧化氢)工艺、electricalperoxone(或electro-peroxone)工艺等。这些方法的缺点是高的资本投资成本。例如，用于电化学氧化的电极阵列可能花费超过一万美元。此外，其他缺点包括氧化工艺，该氧化工艺可能缓慢且能量密集，并且因此经常在间歇式反应器中进行，通过间歇式反应器，净化的流出物不能被连续地排放。Peroxone工艺通常涉及从外部源向间歇式反应器中加入过氧化氢，而electro-peroxone工艺通常涉及使用间歇式反应器内的结合的碳石墨阴极来产生过氧化氢。由于过氧化氢的高成本和在其运输中涉及的危险，在某些情况下使用peroxone工艺可能是不切实际的。另一方面，由于其粘合剂(包括全氟化的粘合剂)的降解和有限的碳电极的反应面积，electro-peroxone工艺可能遭受结合的碳电极的快速劣化，这可能由于通过粘合剂填充电极内部的孔隙空间而降低。已经采用前述方法的组合的已知的水处理系统通常是专用的处理设施，其昂贵且大，具有高维护成本。因此，合意的是提供水处理系统和方法，其克服已知的水净化技术的至少一些前述缺点和限制。概述公开了可以被用作electro-peroxone系统中的流通式阴极的电极，其为电化学水处理提供明显改进的H2O2产生活性。电极包括由间苯二酚合成的多孔碳材料。电极可以是相对便宜地制造，并且可以允许紧凑、高度有效的电化学水净化系统，其具有降低的能耗、减少的维护、较低的成本和广泛的应用。例如，电极可以用于从水中去除污染物和/或用于脱盐。根据电极的示例性实施方案，多孔碳材料是不含粘合剂的碳结构，其使得能够以更高的生产率在电极处原位电生成H2O2。电极可以通过将间苯二酚和表面活性剂溶解在乙醇和水的混合物中以形成溶液来制造。然后将碱或酸加入到溶液中，并且将甲醛加入到溶液中以形成溶液混合物。加热溶液混合物以产生固化的材料。干燥所述固化的材料，并且在保护性气体下对干燥的固化的材料进行热解，导致整体多孔碳材料。电极可以用于通过将电极放置成与水直接物理接触并施加合适的电压电位来净化水的系统中。本公开内容还描述了水净化系统，所述水净化系统包括一个或更多个电极，所述电极包括由间苯二酚合成的多孔碳材料。前面的概述没有限定所附权利要求的限制。对于本领域的技术人员来说，在查看以下附图和详细描述后，其他方面、实施方案、特征和优点将是明显的或将变得明显。意图的是，所有这样的另外的特征、实施方案、方面和优点都被包括在本说明书内并由所附权利要求保护。附图简述应该理解的是，附图仅用于说明的目的并且不限定所附权利要求的限制。此外，附图中的部件不一定按比例绘制。在附图中，相同的参考数字在整个不同的视图中表示相应的部分。图1图示出了包括具有多孔碳材料的电极的示例性水净化系统，诸如连续水净化系统。图2是可用作图1的系统中的阴极的示例性多孔碳电极的示意性透视图。图3图示出了在制造包含在所公开的电极中的多孔碳材料的示例性过程中涉及的化学反应。图4a-图4d是多孔碳材料的实例的扫描电子显微镜图像。图5是示出了图1中所示的系统的阳极和阴极的示例性电化学操作的概念透视图。图6是示出了包括所公开的多孔碳阴极的示例性模块化水净化系统的示意图。图7是包括在图5中所示的模块化系统中的示例性ECR模块的分解透视图。图8a-图8c是示出了用于示例性公开的PCM电极的CV曲线的实验结果的图。图9是示出了使用示例性公开的多孔碳电极的H2O2产生的实验结果的图。图10a-图10f是示出了使用示例性公开的多孔碳电极在废水处理期间药物去除的实验结果的图。图11是比较使用示例性公开的多孔碳电极和其他水净化技术的废水处理的实验结果的图。图12是示出了使用示例性公开的多孔碳电极的脱盐的实验结果的图。详细描述参考附图并结合附图的以下详细描述描述和说明了电解电极、水处理系统以及使用电解电极和水处理系统的方法以及制造电解电极的方法的一个或更多个实例。这些实例以足够的细节被示出和描述以使本领域技术人员能够实践所要求保护的内容，提供这些实例不是用于限制而是仅用于例证和教导本专利技术的电极、方法和系统的实施方案。因此，在适当的情况下为了避免使本专利技术模糊，描述可以省略本领域技术人员已知的某些信息。本文的公开内容是不应被理解为过度地限制基于本申请可以最终授权的任何专利权利要求的范围的实例。词语“示例性”在整个本申请中用于意指“用作实例、示例或说明”。本文中被描述为“示例性”的任何系统、方法、装置、技术、特征或类似的不一定被解释为相对于其他特征是优选的或有利的。除非内容清楚地另外指示，否则如本说明书和所附的权利要求中所使用的，单数形式“一(a)”“一(an)”和“该(the)”包括复数指示物。尽管类似于或等效于本文描述的那些方法和材料的任何方法和材料可以在本专利技术的实践或测试中使用，但本文描述了适当的材料和方法的具体实例。而且，除非另外说明，否则“或”的使用意指“和/或”。类似地，“包含(comprise)”、“包含(comprises)”、“包含(comprising)”、“包括(include)”、“包括(includes)”和“包括(including)”是可互换的并且不意图是限制性的。应当进一步理解，在各种实施方案的描述使用术语“包括”的情况下，本领域技术人员将理解，在一些特定的情况下，实施方案可以使用语言“基本上由......组成”或“由......组成”来替代地描述。为了在成本有效的水净化过程中提供高效、连续的污染物和/或污染物去除，公开了具有大的反应性表面积、大空隙率、低弯曲度和互连的大孔的便宜的三维(3D)多孔碳电极的实施方案。示例性的电极可以应用于如本文描述的废水处理系统中。如本文所描述的，公开了流通式electro-peroxone水净化系统的实例，其中H2O2可以通过多孔碳材料(PCM)中的选择性O2还原来原位电生成，以用于一种或更多种污染物的有效连续去除，所述污染物可以包括药物，生物物质，杀生物剂诸如除草剂、杀虫剂和杀真菌剂，人或动物废物，病原污染物诸如病本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于水净化的电极，包括：由间苯二酚合成的多孔碳材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.02.09 US 62/456,8601.一种用于水净化的电极，包括：由间苯二酚合成的多孔碳材料。2.如权利要求1所述的电极，其中所述多孔碳材料通过以下来合成：将所述间苯二酚和表面活性剂溶解在乙醇和水的混合物中以形成溶液；将甲醛加入到所述溶液中；将碱加入到所述溶液中以形成溶液混合物；加热所述溶液混合物以产生固化的材料；干燥所述固化的材料；以及在保护性气体下对干燥的固化的材料进行热解，导致所述多孔碳材料。3.如权利要求2所述的电极，其中所述碱选自由1,6-二氨基己烷、乙二胺(EDA)、三甲胺(TMA)、三乙胺(TEA)和KOH组成的组。4.如权利要求2所述的电极，其中所述表面活性剂是F-127。5.如权利要求2所述的电极，其中所述保护性气体选自由氮气、氢气和惰性气体组成的组。6.如权利要求1-5中任一项所述的电极，其中所述多孔碳材料的孔隙率通过调节用于形成所述多孔碳材料的聚合工艺来调整。7.如权利要求1-5中任一项所述的电极，其中所述多孔碳材料被形成为预定的三维物体。8.如权利要求1-5中任一项所述的电极，其中所述多孔碳材料具有提供200m2/g-800m2/g的反应表面积的结构。9.如权利要求1-5中任一项所述的电极，还包括与所述多孔碳材料电接触的金属导体。10.如权利要求1-5中任一项所述的电极，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘剀，迈克尔·R·霍夫曼，
申请(专利权)人：加州理工学院，
类型：发明
国别省市：美国,US