一种电化学去除液体中重金属的方法技术

本发明专利技术公开了一种电化学去除液体中重金属的方法，它包括以下步骤：1)将电极活性材料、导电剂、粘结剂按50～100∶10～30∶5～20的质量比混合，超声5～60min制成浆料，涂布于碳纸上，60～90℃真空烘干制成工作电极；2)将上述工作电极置于含有重金属的液体中，以空白碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，或者以工作电极和空白碳纸对电极组成两电极体系，制成超级电容器；3)对超级电容器进行充放电。本发明专利技术可高效地去除液体中的各种重金属，具有去除容量高，速度快，成本低，操作简便，环境友好等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及液体中重金属离子的去除方法，具体的说涉及一种利用超级电容器原理电化学去除液体中重金属离子方法。
技术介绍
重金属作为水体和土壤中主要污染物之一，来源于矿物开采、冶金、涂料的使用、核及其他工业生产等(Chem.Soc.Rev.,2013,42,3792-3807)。目前去除水中重金属主要方法有化学沉淀、离子交换、膜过滤、吸附、电渗析等。土壤中重金属主要通过化学固定。然而这些方法大多由于成本高、复杂及吸附量低在应用中受到限制。超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的储能装置，以其功率密度高、充电时间短和循环寿命长等特点而备受关注(Chem.Int.Ed.,2013,52,1882-1889)。根据储能机理，可将超级电容器分为两类：一是电极与溶液界面形成双电层的电化学双电层电容器；二是电极与溶液中电活性物质间氧化还原的赝电容。电容去除(CDI)是一种基于双电层电容原理去除水中盐(NaCl、MgCl2等)的技术，电极材料为碳材料，其优势为能源效率高且成本低。电容去除对盐的去除效果较好，N掺杂石墨烯用于双电层电容电极材料在NaCl初始含量为500mg/L时，对Na+去除量高达21.0mg/g。相比较而言，赝电容充放电时，电极材料氧化还原的同时也伴随着溶液离子在电极材料中的嵌入和脱出(Nature,2008,7,845-854)。因此，利用赝电容去除水中盐类效果更显著。目前基于电容器原理去除金属离子的技术多应用于Na+、Mg2+、Ca2+等盐类离子，而对于重金属的去除尚未见报道。赝电容电极材料一般为过渡金属氧化物，最常见的有RuO2、MnO2、NiO、Co3O4等。MnO2以其理论比容量高，来源丰富、生产成本低且环境友好而广泛应用于超级电容器。另外MnO2零点电荷较低，在中性条件对重金属离子具有较强吸附能力(Environ.Sci.Technol.,2008,42,779-785)，因此本专利技术选用MnO2或碳纳米管改性的MnO2作为电极材料，用于重金属的去除。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种去除容量高，操作简单，清洁无污染的电化学去除液体中重金属的方法。本专利技术所提供的方法包括以下步骤：1)将电极活性材料、导电剂、粘结剂按50～100∶10～30∶5～20的质量比混合，超声处理5～60min制成浆料，涂布于碳纸上，60～90℃真空烘干制成工作电极；2)将步骤1)的工作电极置于含有重金属的液体中，以空白碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，或者将工作电极和空白碳纸对电极组成两电极体系，以三电极体系或两电极体系制成超级电容器；3)对超级电容器进行充放电。所述电极活性材料为锰氧化物或碳纳米管修饰的锰氧化物，所述锰氧化物可以是水钠锰矿、布塞尔矿、锂硬锰矿、锰钾矿、钙锰矿、软锰矿和拉锰矿等中的任何一种。所述导电剂选自乙炔黑、SuperP、SuperS中的一种；所述粘结剂选自聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯醇(PVA)中的一种；所述充放电为恒流充放电或恒压充放电或恒阻充放电。优选地，所述电极活性材料为碳纳米管修饰的水钠锰矿，所述导电剂为乙炔黑，所述粘结剂为聚偏氟乙烯。进一步优选地，所述碳纳米管修饰的水钠锰矿、乙炔黑、聚偏氟乙烯的质量比为75∶15∶10。优选地，所述充放电为恒流充放电，所述恒流充放电的电流密度为0.1～5A/g，相对于参比电极的电位窗口为-0.6～1.0V，循环周数为30～60次。进一步优选地，所述恒流充放电的电流密度为0.1A/g，相对于参比电极的电位窗口为0～0.9V，循环周数为50次。本专利技术的有益效果是：本专利技术可高效地去除水中的Pb2+、Zn2+、Cd2+、Fe2+、Cu2+、Cr(III,VI)、As(III,V)、Sr2+和Cs+等各种重金属，还可以去除淤泥等环境污染中的重金属，具有去除容量高，速度快，成本低，操作简便，环境友好等优点。附图说明图1是实施例1对水中Pb2+的去除容量图。图2是实施例2对水中Zn2+的去除容量图。图3是实施例3对水中Cd2+的去除容量图。图4是实施例4对水中Pb2+的去除容量图。图5是实施例5对水中Pb2+的去除容量图。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术进行详细地说明。实施例1一种电化学去除液体中重金属离子的方法，包括以下步骤：1)将碳纳米管修饰的水钠锰矿、乙炔黑、聚偏氟乙烯按75∶15∶10的质量比混合，超声30min分散制成浆料，涂布于碳纸上，75℃真空烘干制成工作电极；2)将上述工作电极置于含有Pb2+的水中，以空白碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，制成超级电容器；3)对超级电容器进行恒流充放电(电流密度为0.1A/g，相对于参比电极的电位窗口为0～0.9V，循环周数为50次)。充放电结束后检测溶液中Pb2+含量，计算去除量。其中碳纳米管修饰的水钠锰矿是按以下方法自制的：0.158gKMnO4与0.05g碳纳米管加入80mL反应管，加入50mL水。然后将反应管置于微波合成仪，功率设定250W，反应温度控制为120℃，反应时间10min，反应结束后离心，沉淀洗涤、干燥后制得碳纳米管修饰的水钠锰矿。从图1可知，溶液中Pb2+含量为200mg/L时，单位质量水钠锰矿对Pb2+去除量为280mg/g，随着Pb2+含量增加，去除量也逐渐增加，当Pb2+含量达到1800mg/L以后，去除量基本稳定，最大去除量为1520mg/g。实施例2一种电化学去除液体重金属离子的方法，包括以下步骤：1)将水钠锰矿、乙炔黑、聚四氟乙烯按80∶10∶10的质量比混合，超声15min制成浆料，涂布于碳纸上，80℃真空烘干制成工作电极；2)将上述工作电极置于含有Zn2+的水中，以空白碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，制成超级电容器；3)对超级电容器进行恒流充放电(电流密度为5A/g，相对于参比电极的电位窗口为-0.6～1.0V，循环周数为50次)。充放电结束后检测溶液中Zn2+含量，计算去除量。从图2可知，溶液中Zn2+含量为350mg/L时，单位质量水钠锰矿对Zn2+去除量为320mg/g，随着Zn2+含量增加，去除量也逐渐增加，当Zn2+含量达到1400mg/L以后，去除量基本稳定，最大去除量为530mg/g。实施例3一种电化学去除液体重金属离子的方法，包括以下步骤：1)将碳纳米管修饰的水钠锰矿、SuperP、聚乙烯醇按70∶10∶20的质量比混合，超声15min制成浆料，涂布于碳纸上，60℃真空烘干制成工作电极；2)将上述工作电极置于含有Cd2+的水中，以空白碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，制成超级电容器；3)对超级电容器进行恒流充放电(电流密度为2A/g，相对于参比电极的电位窗口为0～1.0V，循环周数为40次)。充放电结束后检测溶液中Cd2+含量，计算去除量。从图3可知，溶液中Cd2+含量为200mg/L时，单位质量水钠锰矿对Cd2+去除量为150mg/g，随着Cd2+含量增加，去除量也逐渐增加，当Cd2+含量达到1400mg/L以后，去除量基本稳定，最大去除量为900mg/g。实施例4一种电化学去除液体重金属离子的方法，包括以下步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学去除液体中重金属的方法，其特征在于包括以下步骤：1)将电极活性材料、导电剂、粘结剂按50～100∶10～30∶5～20的质量比混合，超声处理5～60min制成浆料，涂布于碳纸上，60～90℃真空烘干制成工作电极；2)将步骤1)的工作电极置于含有重金属的液体中，以空白碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，或者将工作电极和空白碳纸对电极组成两电极体系，以三电极体系或两电极体系制成超级电容器；3)对超级电容器进行充放电，所述电极活性材料为锰氧化物或碳纳米管修饰的锰氧化物；所述导电剂选自乙炔黑、Super P、Super S中的一种；所述粘结剂选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇中的一种；所述充放电为恒流充放电或恒压充放电或恒阻充放电。

【技术特征摘要】
1.一种电化学去除液体中重金属的方法，其特征在于包括以下步骤：1)将电极活性材料、导电剂、粘结剂按50～100∶10～30∶5～20的质量比混合，超声处理5～60min制成浆料，涂布于碳纸上，60～90℃真空烘干制成工作电极；2)将步骤1)的工作电极置于含有重金属的液体中，以空白碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，或者将工作电极和空白碳纸对电极组成两电极体系，以三电极体系或两电极体系制成超级电容器；3)对超级电容器进行充放电，所述电极活性材料为锰氧化物或碳纳米管修饰的锰氧化物；所述导电剂选自乙炔黑、SuperP、SuperS中的一种；所述粘结剂选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇中的一种；所述充放电为恒流充放电或恒压充放电或恒...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱国红，刘立虎，彭启川，谭文峰，刘凡，
申请(专利权)人：华中农业大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42