一种炭基复合材料及其制备方法和流动电容去离子耦合电化学反硝化的装置及其使用方法

本发明涉及水处理，尤其涉及一种炭基复合材料及其制备方法和流动电容去离子耦合电化学反硝化的装置及其使用方法。

背景技术：

1、工厂化循环水养殖系统(ras)中硝氮的累积是重要环境问题之一，实现硝氮无害转化尤为重要。目前，硝氮无害转化的主要处理方法包括：离子交换、反渗透、生物反硝化、催化加氢以及电化学还原等。电化学还原硝氮技术(no3rr)具有去除效率高、操作条件温和、目标产物选择性可控、环境友好等优点，因而逐渐成为研究热点。然而干扰离子的影响、电极表面的静电斥力和电催化剂的选择性不佳严重制约了电化学还原硝氮技术高效去除硝氮及其在ras中的应用。因此，设计相应的硬度离子去除工艺和高性能电催化剂，对于开发高效去除no3-的ras水质净化系统具有重要意义。

2、流动电容去离子技术(fcdi)技术是一种新兴的电吸附水处理技术。fcdi技术的基本原理是通过在阴、阳极两端外施加电压或电流从而在电极之间形成静电场，带电离子或粒子因在静电场中受到静电力作用而向带相反电性的电极室移动并最终被吸附在集流板或电极颗粒表面形成双电层并储存其中。这种从水中去除离子的电吸附过程具有高效快速、节能环保的特性，为去除干扰离子提供可能。然而，针对于含氨氮废水，水中的氨氮指的是一种含氮的耗氧化合物，主要以游离氨(nh3)和铵离子(nh4+)形式存在。在采用fcdi技术处理含氨氮废水时，由于传统的碳材料对nh4+吸附性能差，导致进水中的nh4+电迁移到流动电极室后无法大量被碳材料吸附导致nh4+会在流动电极液里大量富集，从而极大地增加了流动电极里的nh4+浓度，进一步导致流动电极里的nh4+发生反扩散，最终导致fcdi过程性能的降低，氨氮去除效果不理想。并且，直接将no3rr与fcdi耦合使用时，共存阴离子在电极表面的竞争性吸附问题尚未解决，导致no3rr与fcdi耦合的方法难以实现高效的硝氮无害转化。

3、因此，亟需提供一种能够用于流动电容去离子耦合电化学反硝化装置的炭复合材料以实现高效的硝氮无害转化。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种炭基复合材料及其制备方法和流动电容去离子耦合电化学反硝化的装置及其使用方法，本发明提供的炭基复合材料用于流动电容去离子耦合电化学反硝化装置的炭复合材料时，能够高效的实现硝氮无害转化。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种炭基复合材料，包括活性炭和负载在所述活性炭上的cu2te/mgal-ldh异质结，所述cu2te/mgal-ldh异质结中mg和al的物质的量之比为1～5：1。

4、优选地，所述cu2te/mgal-ldh异质结的质量占炭基复合材料质量的1～5％。

5、优选地，所述cu2te/mgal-ldh异质结中cu2te和mgal-ldh质量之比为(1～2)：(1～5)。

6、本发明还提供了上述技术方案所述炭基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)将可溶性铝盐、水和乙醇混合，得到可溶性铝盐溶液；

8、(2)将活性炭、可溶性镁盐、尿素与所述步骤(1)得到的可溶性铝盐溶液混合后进行浸渍，得到固液混合物；所述可溶性镁盐与可溶性铝盐溶液中可溶性铝盐的物质的量之比为1～5：1；

9、(3)将所述步骤(2)得到的固液混合物进行水热反应，得到mgal-ldh@hpwc复合材料；

10、(4)将所述步骤(3)得到的mgal-ldh@hpwc复合材料与乙二醇、碱性调节剂、二氧化碲、稳定剂和还原剂混合，进行还原反应，得到te纳米片/mgal-ldh@hpwc混合液；

11、(5)将所述步骤(4)得到的te纳米片/mgal-ldh@hpwc混合液与可溶性铜盐溶液混合，进行溶剂热反应，得到炭基复合材料。

12、优选地，所述步骤(3)中水热反应的温度为80～150℃；水热反应的时间为16～30h。

13、优选地，所述步骤(4)中还原反应和步骤(5)中溶剂热反应的温度独立地为120～200℃；所述还原反应和溶剂热反应的时间独立地为30～90min。

14、本发明还提供了一种流动电容去离子耦合电化学反硝化的装置，包括依次接触设置的流动电极、阳离子交换膜、反应腔体、阴离子交换膜和炭基固定电极；

15、所述炭基固定电极为上述技术方案所述炭基复合材料或者上述技术方案所述制备方法制备得到的炭基复合材料；

16、所述流动电极的电极腔体与阳离子交换膜接触的侧面上刻有蛇形流道；所述电极腔体上设有进液口和出液口，所述进液口和出液口分别设置于所述蛇形流道的两端；

17、所述反应腔体为具有蛇形镂空的硅胶板；所述蛇形镂空与所述电极腔体中蛇形流道在所述阳离子交换膜上的投影重合；所述蛇形镂空与阳离子交换膜和阴离子交换膜形成的空间为反应腔室；所述反应腔体上设有进水口和出水口；所述进水口设置于所述蛇形镂空中与所述进液口相对应的一端；所述出水口设置于所述蛇形镂空中与所述出液口相对应的一端；所述反应腔室上包括带螺母的通孔。

18、优选地，所述电极腔体的长度为80～200mm，电极腔体的宽度为50～120mm，电极腔体的厚度为5～15mm。

19、优选地，所述所述蛇形流道的深度为1～3mm，蛇形流道的宽度为1～3mm，蛇形流道的栏数为15～35栏。

20、本发明还提供了一种流动电容去离子耦合电化学反硝化的方法，采用上述技术方案所述的装置，包括以下步骤：

21、将液相电极材料经进液口通入电极腔体的蛇形流道内形成流动电极；

22、将所述流动电极与外接电源的负极连接，固定电极与外接电源的正极连接，得到fcdi系统；

23、将待处理废水由进水口通入反应腔体经出水口流出，循环进行fcdi过程，至处理后的废水中总氮含量达标后，停止通入待处理废水，保留反应腔室中的剩余废水；

24、切换外接电源的正负极，使流动电极与外接电源的正极连接，固定电极与外接电源的负极连接，得到no3rr系统；

25、开启反应腔室通孔，将所述剩余废水在所述no3rr系统中进行电化学还原反应，直至不再产生气体。

26、本发明提供了一种炭基复合材料，包括活性炭和负载在所述活性炭上的cu2te/mgal-ldh异质结，所述cu2te/mgal-ldh异质结中mg和al的物质的量之比为1～5：1。本发明提供的炭基复合材料以活性炭作为载体，活性炭具有三维多孔结构，有利于提高cu2te/mgal-ldh异质结的分散性；并且将炭基复合材料用于流动电容去离子耦合电化学反硝化时，能够减小no3-在阴极上的扩散距离，减小水流通过阻力小，增加了水流经多孔电极时no3-与阴极之间的有效接触，抵消静电斥力的阻碍；本发明提供的炭基复合材料中包括cu2te/mgal-ldh异质结，其中，mgal-ldh为镁铝水滑石，mg和al的物质的量之比不同时镁铝水滑石的层间距不同，当mg和al的物质的量之比为1～5：1时，具有合适的层间距，将此炭基复合材料用于流动电容去离子耦合电化学反硝化时，能够与no3-发生插层反应，实现选择性吸附no3-，阻止溶液中阴离子(cl-、so42-等)的竞争吸附；本发明提供的炭基复合材料中具有cu2te/mgal-ldh异质结，能够利用界面效应调控cu2te电子结构、吸附能，调控最佳中间产物吸附能，将此炭基复合材料用于流动电容去离子耦合电化学反硝化时，实现选择性产n2，进而能够高效地实现硝氮无害转化。实施例结果显示，采用本发明提供的炭基复合材料用于流动电容去离子耦合电化学反硝化装置的固定电极后，运行50min时，不同初始浓度下，no3-的去除率都能保持在93％以上，n2选择性保持在96％以上，能够高效地实现硝氮无害转化。