CN103723801A - 基于电吸附去除水体中砷的复合电极水热合成方法及其去砷的方法 - Google Patents
基于电吸附去除水体中砷的复合电极水热合成方法及其去砷的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于电吸附去除水体中砷的复合电极水热合成方法，其具体为：先将活性炭纤维用稀硝酸或氢氧化钠溶液浸泡1-24h活化，并用水洗涤干净；然后将活化后的活性炭纤维放在高温反应斧中，按照每克高温反应斧加入锰盐2mmol，铁盐0.01-0.4mmol，K2S2O8 1-4mmol，2-8mL浓硫酸及60-90mL蒸馏水的标准，混合均匀；最后将高温反应斧密封，并在90-150℃恒温反应2-24h，冷却到室温后用蒸馏水洗涤干净，于烘箱内烘干即可。本发明制备复合电极的方法简单可行，解决了现有饮用水微量重金属元素处理技术复杂无选择性的特点，为人民群众的身体健康提供良好的技术保障，具有良好的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及去除水体中砷的方法，特别是利用新型电极的电吸附去除水中砷的方法。
背景技术
目前，水体中重金属污染受到人们的广泛关注。水是人类生存不可缺少的，饮用水直接作用于人体，因此饮用水的水质状况，直接影响人类身体的健康。自20世纪初以来，砷被广泛应用于化工、农药行业，伴随着砷的污染越来越严重。大量的砷通过废气、废渣、废水排入环境，造成大气、水体及土壤污染，大气中的污染物又伴随降水进入河流、湖泊，进而造成饮用水污染。目前去除重金属常用的方法有化学沉淀法、活性炭吸附法、离子交换法、膜过滤等方法，但这些方法都具有操作困难，成本高，选择性低的缺点。普通的吸附方法由于其相互作用力较小，去除砷的效果不明显，而且对于水中微量砷的去除能力低。施加电场的方法（电吸附）可以增强普通材料对砷的吸附能力。电吸附是通过施加外加电压，形成静电场，强制离子向带有相反电荷的电极移动，因此带负电的砷酸根离子就会吸附在正极上。为了避免水的电解，电吸附的电压一般在2V以内，是一个低耗电的过程，且具有选择性，方便再生的特点。一般电吸附使用碳材料作为电极，但是碳的吸附容量有限，而且与砷的相互作用能力弱。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对普通的碳电极材料对砷的吸附容量低，相互作用力弱，缺乏选择性等缺点，提供一种基于电吸附去除水体中砷的复合电极水热合成方法及其去除水体中砷的方法，制得的复合电极除砷效果好，吸附容量大，有选择性，具有良好应用价值。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于电吸附去除水体中砷的复合电极水热合成方法，其具体为：先将活性炭纤维用稀硝酸或氢氧化钠溶液浸泡1-24h活化，并用水洗涤干净；然后将活化后的活性炭纤维放在高温反应斧中，按照每克活性炭纤维加入锰盐2mmol，铁盐0.01-0.4mmol，K2S2O8 1-4mmol，2-8mL浓硫酸及60-90mL蒸馏水的标准，混合均匀；最后将高温反应斧密封，并在90-150℃恒温反应2-24h，冷却到室温后用蒸馏水洗涤干净，于烘箱内烘干即可。
所述活性炭纤维也可为活性碳、炭布或由植物质热解产生的生物碳。
所述锰盐、铁盐指其氯化物、硫酸盐、硝酸盐、醋酸盐。
所述活性炭纤维的厚度为0.1-2cm，面积为2cm2-100cm2，所述稀硝酸或氢氧化钠溶液的用量为0.1-1mol/L。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种用上述制备的复合电极去除水体中砷的方法，其具体方法为：将复合电极两片固定在聚乙烯外壳中并分别外接稳压电源，两电极间电压为1-2V，两电极间距为0.1-2cm，并在两电极间设置聚乙烯网垫以防止两电极短路，按每克复合电极能一次性处理1-60L浓度为10-200ppb的含砷饮用水的标准设置进水量，流速根据含砷浓度大小设置为0.2-5L/min，即可。
锰氧化物电学性能稳定，是公认为最佳的锂电池电极材料；而且二氧化锰具有强氧化性，容易将亚砷酸根氧化成易吸附的砷酸根。因此，本方法选择氧化锰作为去除砷的电极材料。铁与砷的作用力很强，被认为是选择性去除砷的首选材料。但是铁氧化物电学性质不稳定，并且易溶于酸。因此，构成铁锰复合氧化物，使其同时兼顾铁氧化物与锰氧化物的优点。并将其固定在具有良好机械性能与导电性的活性碳纤维上，制备成优良的复合电极。本方法所制备的铁锰氧化物是以针状纳米结构存在，表面积高，表面缺陷多，对砷的吸附能力较常规的制备方法要优秀。本发明利用比表面积大、吸附点位多的纳米针状结构Fe-MnO2负载在活性炭纤维上，增加了碳的吸附容量及砷与电极的相互作用，使电极具有选择性吸附特性。因此，本方法制备的复合电极具有对砷吸附效率高、选择性好、可重复使用等特点。本发明制备复合电极的方法简单可行，解决了现有饮用水微量重金属元素处理技术复杂无选择性的特点，为人民群众的身体健康提供了良好的技术保障，具有良好的应用价值。
具体实施方式
实施例1：
将活性炭纤维（ACF，厚度为0.5cm，面积为5cm2）先用0.1mol/L的稀硝酸浸泡24h活化，并用水洗涤干净。然后将活化后的ACF放在高温反应斧中，按照每克ACF加入锰盐2mmol，铁盐0.01mmol，K2S2O8 2mmol，4mL浓硫酸及76mL蒸馏水的标准，混合均匀。最后将高温反应斧密封，并在110℃恒温反应6h，冷却到室温后用蒸馏水洗涤干净，于烘箱内烘干，即形成复合电极。
将复合电极两片固定在聚乙烯外壳中并分别外接稳压电源，使两电极间电压为1.5V，两电极间距为0.1cm，并在两电极间设置聚乙烯网垫防止两电极短路。按每克复合电极能一次性处理60L浓度为100ppb的含砷饮用水中的标准设置进水量，流速设置为0.5L/min。经检测，本实施例中的含砷饮用水在砷去除后其砷浓度低于10ppb，达到饮用水标准。
实施例2：
活性炭纤维（ACF，厚度为0.5cm，面积为5cm2）先用0.1mol/L的氢氧化钠溶液浸泡24h活化，并用水洗涤干净。然后将活化后的ACF放在高温反应斧中，按照每克ACF加入锰盐2mmol，铁盐0.2mmol，K2S2O8 2mmol，4mL浓硫酸及76mL蒸馏水的标准，混合均匀。最后将高温反应斧密封，并在110℃恒温反应6h，冷却到室温后用蒸馏水洗涤干净，于烘箱内烘干，即形成复合电极。
将复合电极两片固定在聚乙烯外壳中并分别外接稳压电源，使两电极间电压为1.5V，两电极间距为0.1cm，并在两电极间设置聚乙烯网垫防止两电极短路。按每克复合电极能一次性处理60L浓度为100ppb的含砷饮用水中的标准设置进水量，流速设置为0.5L/min。经检测，本实施例中的含砷饮用水在砷去除后其砷浓度低于10ppb，达到饮用水标准。
实施例3：
活性炭纤维（ACF，厚度为0.5cm，面积为5cm2）先用0.1mol/L的稀硝酸浸泡24h活化，并用水洗涤干净。然后将活化后的ACF放在高温反应斧中，按照每克ACF加入锰盐2mmol，铁盐0.4mmol，K2S2O8 2mmol，4mL浓硫酸及76mL蒸馏水的标准，混合均匀。最后将高温反应斧密封，并在110℃恒温反应6h，冷却到室温后用蒸馏水洗涤干净，于烘箱内烘干，即形成复合电极。
将复合电极两片固定在聚乙烯外壳中并分别外接稳压电源，使两电极间电压为1.5V，两电极间距为0.1cm，并在两电极间设置聚乙烯网垫防止两电极短路。按每克复合电极能一次性处理60L浓度为100ppb的含砷饮用水中的标准设置进水量，流速设置为0.5L/min。经检测，本实施例中的含砷饮用水在砷去除后其砷浓度低于10ppb，达到饮用水标准。
实施例4：
活性炭纤维（ACF，厚度为0.5cm，面积为5cm2）先用0.1mol/L的氢氧化钠溶液浸泡24h活化，并用水洗涤干净。然后将活化后的ACF放在高温反应斧中，按照每克ACF加入锰盐2mmol，铁盐0.2mmol，K2S2O8 1mmol，8mL浓硫酸及72mL蒸馏水的标准，混合均匀。最后将高温反应斧密封，并在150℃恒温反应12h，冷却到室温后用蒸馏水洗涤干净，于烘箱内烘干，即形成复合电极。
将复合电极两片固定在聚乙烯外壳中并分别外接稳压电源，使两电极间电压为1.5V，两电极间距为0.1cm，并在两电极间设置聚乙烯网垫防止两电极短路。按每克复合电极能一次性处理60L浓度为100ppb的含砷饮用水中的标准设置进水量，流速设置为0.5L/min。经检测，本实施例中的含砷饮用水在砷去除后其砷浓度低于10ppb，达到饮用水标准。
实施例5：
活性炭纤维（ACF，厚度为0.5cm，面积为5cm2）先用0.1mol/L的稀硝酸浸泡24h活化，并用水洗涤干净。然后将活化后的ACF放在高温反应斧中，按照每克ACF加入锰盐2mmol，铁盐0.2mmol，K2S2O8 4mmol，2mL浓硫酸及78mL蒸馏水的标准，混合均匀。最后将高温反应斧密封，并在120℃恒温反应6h，冷却到室温后用蒸馏水洗涤干净，于烘箱内烘干，即形成复合电极。
将复合电极两片固定在聚乙烯外壳中并分别外接稳压电源，使两电极间电压为1.5V，两电极间距为0.1cm，并在两电极间设置聚乙烯网垫防止两电极短路。按每克复合电极能一次性处理60L浓度为100ppb的含砷饮用水中的标准设置进水量，流速设置为0.5L/min。经检测，本实施例中的含砷饮用水在砷去除后其砷浓度低于10ppb，达到饮用水标准。
实施例6：
活性炭纤维（ACF，厚度为0.5cm，面积为5cm2）先用0.1mol/L的氢氧化钠溶液浸泡24h活化，并用水洗涤干净。然后将活化后的ACF放在高温反应斧中，按照每克ACF加入锰盐2mmol，铁盐0.2mmol，K2S2O8 2mmol，4mL浓硫酸及78mL蒸馏水的标准，混合均匀。最后将高温反应斧密封，并在90℃恒温反应24h。冷却到室温后用蒸馏水洗涤干净，于烘箱内烘干，即形成复合电极。
将复合电极两片固定在聚乙烯外壳中并分别外接稳压电源，使两电极间电压为1.5V，两电极间距为0.1cm，并在两电极间设置聚乙烯网垫防止两电极短路。按每克复合电极能一次性处理60L浓度为100ppb的含砷饮用水中的标准设置进水量，流速设置为0.5L/min。经检测，本实施例中的含砷饮用水在砷去除后其砷浓度低于10ppb，达到饮用水标准。
实施例7：
活性炭纤维（ACF，厚度为0.5cm，面积为5cm2）先用0.1mol/L的稀硝酸浸泡24h活化，并用水洗涤干净。然后将活化后的ACF放在高温反应斧中，按照每克ACF加入锰盐2mmol，铁盐0.2mmol，K2S2O8 2mmol，4mL浓硫酸及76mL蒸馏水的标准，混合均匀。最后将高温反应斧密封，并在110℃恒温反应6h。冷却到室温后用蒸馏水洗涤干净，于烘箱内烘干，即形成复合电极。
将复合电极两片固定在聚乙烯外壳中并分别外接稳压电源，使两电极间电压为2V，两电极间距为0.1cm，并在两电极间设置聚乙烯网垫防止两电极短路。按每克复合电极能一次性处理30L浓度为200ppb的含砷饮用水中的标准设置进水量，流速设置为0.2L/min。经检测，本实施例中的含砷饮用水在砷去除后其砷浓度低于10ppb，达到饮用水标准。
实施例8：
活性炭纤维（ACF，厚度为0.5cm，面积为5cm2）先用0.1mol/L的氢氧化钠溶液浸泡24h活化，并用水洗涤干净。然后将活化后的ACF放在高温反应斧中，按照每克ACF加入锰盐2mmol，铁盐0.2mmol，K2S2O8 2mmol，4mL浓硫酸及76mL蒸馏水的标准，混合均匀。最后将高温反应斧密封，并在110℃恒温反应6h。冷却到室温后用蒸馏水洗涤干净，于烘箱内烘干，即形成复合电极。
将复合电极两片固定在聚乙烯外壳中并分别外接稳压电源，使两电极间电压为2V，两电极间距为2cm，并在两电极间设置聚乙烯网垫防止两电极短路。按每克复合电极能一次性处理60L浓度为20ppb的含砷饮用水中的标准设置进水量，流速设置为0.5L/min。经检测，本实施例中的含砷饮用水在砷去除后其砷浓度低于10ppb，达到饮用水标准。
实施例9：
活性炭纤维（ACF，厚度为0.5cm，面积为5cm2）先用0.1mol/L的稀硝酸浸泡24h活化，并用水洗涤干净。然后将活化后的ACF放在高温反应斧中，按照每克ACF加入锰盐2mmol，铁盐0.2mmol，K2S2O8 2mmol，4mL浓硫酸及76mL蒸馏水的标准，混合均匀。最后将高温反应斧密封，并在110℃恒温反应6h。冷却到室温后用蒸馏水洗涤干净，于烘箱内烘干，即形成复合电极。
将复合电极两片固定在聚乙烯外壳中并分别外接稳压电源，使两电极间电压为1.5V，两电极间距为0.1cm，并在两电极间设置聚乙烯网垫防止两电极短路。按每克复合电极能一次性处理60L浓度为100ppb的含砷饮用水中的标准设置进水量，流速设置为0.3L/min。经检测，本实施例中的含砷饮用水在砷去除后其砷浓度低于10ppb，达到饮用水标准。
Claims (6)
1.一种基于电吸附去除水体中砷的复合电极水热合成方法，其特征在于具体为：先将活性炭纤维用稀硝酸或氢氧化钠溶液浸泡1-24h活化，并用水洗涤干净；然后将活化后的活性炭纤维放在高温反应斧中，按照每克活性炭纤维加入锰盐2mmol，铁盐0.01-0.4mmol，K2S2O8 1-4mmol，2-8mL浓硫酸及60-90mL蒸馏水的标准，混合均匀；最后将高温反应斧密封，并在90-150℃恒温反应2-24h，冷却到室温后用蒸馏水洗涤干净，于烘箱内烘干即可。
2.根据权利要求1所述的基于电吸附去除水体中砷的复合电极水热合成方法，其特征在于，所述活性炭纤维为活性碳、炭布或由植物质热解产生的生物碳。
3.根据权利要求1所述的基于电吸附去除水体中砷的复合电极水热合成方法，其特征在于，所述锰盐、铁盐指其氯化物、硫酸盐、硝酸盐、醋酸盐。
4.根据权利要求1所述的基于电吸附去除水体中砷的复合电极水热合成方法，其特征在于，所述活性炭纤维的厚度为0.1-2cm，面积为2cm2-100cm2。
5.根据权利要求1所述的基于电吸附去除水体中砷的复合电极水热合成方法，其特征在于，所述稀硝酸或氢氧化钠溶液的用量为0.1-1mol/L。
6.一种用权利要求1制备的复合电极去除水体中砷的方法，其特征在于具体方法为：将复合电极两片固定在聚乙烯外壳中并分别外接稳压电源，两电极间电压为1-2V，两电极间距为0.1-2cm，并在两电极间设置聚乙烯网垫以防止两电极短路，按每克复合电极能一次性处理1-60L浓度为10-200ppb的含砷饮用水的标准设置进水量，流速根据含砷浓度大小设置为0.2-5L/min，即可。
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