基于Co3O4纳米线改性电极的高盐有机废水电催化阻垢体系及应用

本发明属于电催化处理废水，具体涉及一种基于co3o4纳米线改性电极的高盐有机废水电催化阻垢体系及应用。

背景技术：

1、高盐有机废水中通常同时含有较高浓度的无机盐、硬度离子和溶解性有机物。例如油气田返排水、采出水、反渗透浓水、循环冷却水和部分工业废水中，ca2+、mg2+、ba2+、sr2+、hco3-、co32-、so42-以及腐殖酸类、富里酸类、含油有机物等物质共存。在电化学处理过程中，阴极析氢反应会导致电极界面oh-浓度升高和局部ph升高，进而诱导碳酸盐、氢氧化物、硫酸盐等无机晶核形成；同时，废水中的有机物可吸附、络合或包覆无机晶体，使垢层进一步发展为有机无机复合垢。

2、该类复合垢会覆盖电极活性位点、堵塞三维电极孔隙结构、增加传质阻力和电荷转移阻力，导致污染物去除率下降、能耗升高以及电极运行寿命缩短。现有阻垢手段主要包括投加阻垢剂、酸洗、反冲洗、周期性倒极或机械清洗等，但这些方式可能存在药剂消耗、二次污染、运行中断、设备腐蚀或维护成本高等问题。

3、已有研究关注通过调控电场或电极结构缓解电化学结垢，但对于高盐有机废水中无机离子和有机物共同参与形成的复合垢，以及阻垢过程对有机物电化学去除稳定性的影响，仍缺乏针对性的材料应用方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中的不足，并提供一种基于co3o4纳米线改性电极的高盐有机废水电催化阻垢体系及应用。

2、本发明所采用的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种基于co3o4纳米线改性电极的高盐有机废水电催化阻垢体系，包括电化学反应器、阴极、阳极和电源；所述阴极采用表面生长有尖端结构的co3o4纳米线改性电极；所述电源连接在阴极和阳极之间，用于施加电场；所述电化学反应器中用于放置待处理的高盐有机废水，在电场作用下，所述co3o4纳米线改性电极的尖端结构形成局部增强电场，调控电极/废水界面oh-和/或成垢离子的迁移，从而抑制阴极表面垢层的形成。

4、作为优选，所述co3o4纳米线改性电极的尖端曲率半径为1～100 nm，纳米线长度为0.1～20 μm，纳米线密度为0.1～100根/μm2。

5、作为优选，所述co3o4纳米线改性电极制备方法如下：

6、将预处理清洁后的导电基底浸没于前驱体溶液中，进行水热反应，得到中间产物；所述前驱体溶液为含有钴盐、尿素和氟化铵的混合溶液；将清洗后的中间产物进行退火处理，得到具有尖端结构的co3o4纳米线改性电极。

7、进一步的，所述导电基底采用多孔导电碳基材料或金属基多孔导电材料；其中多孔导电碳基材料包括石墨毡、碳毡、碳布、碳纸，所述金属基多孔导电材料包括泡沫镍、钛网或不锈钢网。

8、进一步的，所述钴盐采用水溶性钴盐，优选硝酸钴、氯化钴、硫酸钴及其水合物中的一种或多种。

9、进一步的，所述前驱体溶液中钴离子、尿素与氟化铵的摩尔比为1：5：2。

10、进一步的，所述水热反应在密封反应釜中进行，水热反应的温度为100℃~120℃，反应时间为8~12 h；所述退火处理在马弗炉中进行，退火温度为350℃~450℃，反应时间为2~3 h。

11、作为优选，所述高盐有机废水为含有成垢阳离子和溶解性有机物的废水；所述成垢阳离子包括ca2+、mg2+、ba2+、sr2+中的一种或多种，所述溶解性有机物包括腐殖酸类物质、富里酸类物质、溶解性微生物代谢产物、芳香族蛋白类物质、含油有机物、含氮有机物或其组合。

12、作为优选，所述电源控制在电流密度50~150 ma/cm2条件下进行电催化反应。

13、第二方面，本发明提供一种第一方面所述基于co3o4纳米线改性电极的高盐有机废水电催化阻垢体系在电催化处理废水中的应用。

14、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

15、（1）本发明将co3o4纳米线改性电极作为高盐有机废水电化学处理过程中的阴极，该电极具有独特的锥形尖端纳米线结构和三维阵列结构，有利于改善电极/废水界面的离子迁移和电荷传输过程，减轻成垢物质在阴极表面的沉积，可在不额外投加或减少投加化学阻垢剂的条件下实现原位阻垢。

16、（2）本发明采用的co3o4纳米线改性电极在多次循环处理后仍能保持较高的toc去除率，并表现出较低的电荷转移电阻增长率，说明该电极能够减轻垢层覆盖对电催化性能和界面电荷传输的不利影响，具有较好的运行稳定性。

17、（3）本发明采用的co3o4纳米线改性电极通过水热结合退火工艺制备，可在石墨毡基底上均匀致密生长，制备过程简单、重复性好，有利于高盐有机废水电催化处理体系的应用。

1.一种基于co3o4纳米线改性电极的高盐有机废水电催化阻垢体系，其特征在于，包括电化学反应器、阴极、阳极和电源；所述阴极采用表面生长有尖端结构的co3o4纳米线改性电极；所述电源连接在阴极和阳极之间，用于施加电场；所述电化学反应器中用于放置待处理的高盐有机废水，在电场作用下，所述co3o4纳米线改性电极的尖端结构形成局部增强电场，调控电极/废水界面oh-和/或成垢离子的迁移，从而抑制阴极表面垢层的形成。

2.根据权利要求1所述的高盐有机废水电催化阻垢体系，其特征在于，所述co3o4纳米线改性电极的尖端曲率半径为1～100 nm，纳米线长度为0.1～20 μm，纳米线密度为0.1～100根/μm2。

3.根据权利要求1所述的高盐有机废水电催化阻垢体系，其特征在于，所述co3o4纳米线改性电极制备方法如下：

4.根据权利要求3所述的高盐有机废水电催化阻垢体系，其特征在于，所述导电基底采用多孔导电碳基材料或金属基多孔导电材料；其中多孔导电碳基材料包括石墨毡、碳毡、碳布、碳纸，所述金属基多孔导电材料包括泡沫镍、钛网或不锈钢网。

5.根据权利要求3所述的高盐有机废水电催化阻垢体系，其特征在于，所述钴盐为水溶性钴盐，所述水溶性钴盐采用硝酸钴、氯化钴、硫酸钴及其水合物中的一种或多种。

6.根据权利要求3所述的高盐有机废水电催化阻垢体系，其特征在于，所述前驱体溶液中钴离子、尿素与氟化铵的摩尔比为1：5：2。

7.根据权利要求3所述的高盐有机废水电催化阻垢体系，其特征在于，所述水热反应在密封反应釜中进行，水热反应的温度为100℃~120℃，反应时间为8~12 h；所述退火处理在马弗炉中进行，退火温度为350℃~450℃，反应时间为2~3 h。

8.根据权利要求1所述的高盐有机废水电催化阻垢体系，其特征在于，所述高盐有机废水为含有成垢阳离子和溶解性有机物的废水；所述成垢阳离子包括ca2+、mg2+、ba2+、sr2+中的一种或多种，所述溶解性有机物包括腐殖酸类物质、富里酸类物质、溶解性微生物代谢产物、芳香族蛋白类物质、含油有机物、含氮有机物或其组合。

9.根据权利要求1所述的高盐有机废水电催化阻垢体系，其特征在于，所述电源为恒流电源，电催化反应过程中的电流密度为50～150 ma/cm2，所述电流密度以阴极几何面积计。

10.一种权利要求1～9任一项所述高盐有机废水电催化阻垢体系在高盐有机废水电催化处理中的应用，其特征在于，用于在电催化去除废水中有机物的同时，抑制成垢物质在阴极表面的沉积。