CN105854858B - 一种通过提高阴极电位进行电化学脱附无机阴离子的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过提高阴极电位进行电化学脱附无机阴离子的方法。电化学脱附法广泛的应用于材料的再生，对于吸附了无机阴离子的材料，提高阴极电位有利于电化学脱附的完成，而且电位越负越有利于脱附，然而通过提高槽电压提高阴极电位会受到阳极放电的限制，为了解决这一问题，本发明使用铅板做阴极，石墨做阳极，并将石墨阳极电解活化5h，可有效提高阴极电位，用于脱附吸附饱和的活性炭得到很好的脱附效果。脱附后的材料可循环使用，本发明工艺设备简单，应用于材料再生，可有效降低工业成本。

Description

一种通过提高阴极电位进行电化学脱附无机阴离子的方法
技术领域
本发明属于电化学脱附技术领域，具体涉及到通过提高阴极电位脱附无机阴离子及吸附材料再生的方法。
背景技术
电化学脱附主要的理论基础是双电层模型，双电层模型中，电化学脱附的驱动力是粒子与极板形成的分散层电位差，也就是ψ电位，ψ电位决定了电化学脱附的反应自由能，只有ψ电位超过某一临界值，电化学脱附自由能大于0，电化学脱附才可进行，而且ψ电位越大，脱附自由能越大，脱附速度越快。而分散层电位(ψ)又与阴极电位的对数成正比，为向电脱附提供更大的脱附自由能，需探索获得尽量大的阴极电位。
对于活性炭的电化学再生，目前研究多集中于吸附了有机物的活性炭的再生，例如沥出液、苯酚、结晶紫燃料、对硝基酚、酸橙染料等，主要利用电场作用下有机物在活性炭表面的氧化还原而再生，再生率一般在80～90％之间；而对于吸附了无机离子的活性炭，目前报道的研究多是使用无机溶剂再生法，主要用无机酸(H2SO4、HCl)等或碱(NaOH)等作为再生溶剂，而使用电化学再生方法的则较少。Pin Hou(Pin Hou Timothy Byrneb,FredS.Cannon,Brian P.Chaplin.Siqi Hong b,d,Cesar Nieto-Delgado.Electrochemicalregeneration of polypyrrole-tailored activated carbons that have removedsulfate.Carbon.2014,79:46-57)等人研究了通过电化学的方法再生吸附硫酸根的活性炭，活性炭经聚吡咯改性，吸附位点由聚吡咯提供，此方法利用了电极极化后聚吡咯发生氧化还原反应，通过改变极性来进行吸附和再生，再生率达95％。但该研究电化学再生的活性炭经过改性不同于原活性炭。VenkataramanSivasankar(VenkataramanSivasankar,ThiyagarajanRamachandramoorthy,André Darchen.Manganese dioxide improves theefficiency of earthenware in fluoride removal from drinkingwater.Desalination.2011,272:179–186)等人使用不同浓度的NaOH再生吸附了氟离子的吸附剂，当NaOH浓度为1.5M时，再生率为95％，仍有5％的残留，可能会影响循环使用。
目前，多种碳材料应用于吸附技术，但是材料的成本很大程度上限制了其大规模使用。如果吸附材料不能有效地再生，吸附饱和的电极材料要么被垃圾填埋要么焚烧丢弃，不但带来巨大的经济损失而且造成了二次污染。
发明内容
本发明的目的是在于提高阴极电位，使无机阴离子污染物高效脱附从而使吸附材料再生。当阴极电位足够负时，污染物全部脱附，活性炭完全再生，并反复使用，降低了生产成本。
一种通过提高阴极电位进行电化学脱附无机阴离子的方法，阳极使用石墨，阴极使用铅板，将阳极进行电解活化以提高阴极电位，然后采用三维电极装置将无机阴离子吸附饱和的活性炭填充于阴极区，通过电化学脱附无机阴离子使得活性炭再生。
上述方法电解活化时控制槽电压5V-20V，优选5V。电解活化至少5小时。
上述方法电解活化时使用SO4 2-溶液作为支持电解质。SO4 2-溶液中SO4 2-的浓度至少为2000mg/L。
上述方法电解活化过程控制pH为13～14，优选13。
上述方法所述的无机阴离子包括氯离子、硫酸根离子、氟离子、硝酸根离子中的一种或多种。
上述方法电化学脱附无机阴离子使得活性炭再生的过程：槽电压5V-20V，铅板作为阴极，电解活化后的石墨作为阳极，使用SO4 2-浓度为2000-4000mg/L的溶液作为脱附液，控制pH为13，对吸附无机阴离子饱和的活性炭脱附。
上述方法电化学脱附无机阴离子使得活性炭再生的过程优选：槽电压5V，铅板作为阴极，电解活化后的石墨作为阳极，使用500ml SO4 2-浓度为2000mg/L的溶液作为脱附液，控制pH为13，使用蠕动泵将外部循环池内脱附液导入反应器，脱附后的溶液回流到循环池，蠕动泵循环速度60rpm，对45g吸附无机阴离子饱和的活性炭脱附5h。
上述方法中活性炭作为电极材料首先吸附无机阴离子达到饱和，然后烘干，填充于阴极区，阴阳极区使用绝缘的隔膜隔离。
上述方法至少对活性炭再生循环使用6次而保持原有吸附性能。本发明有以下突出特点和有益效果：
1、采用本发明中的极板组合以及阳极经电解活化，阴极电位可提高到-4.5V，而保证阳极Cl-不放电。
2、活化后同一槽电压下石墨阳极的电位相比于未活化明显降低，增加槽电压，可以使阴极电位更负，而石墨阳极的电位提高幅度较小，但随着槽电压增加，阳极电位不能超过1.5V，否则就会有大量的氯气释放出来，不能达到脱附的目的。
3、本发明应用于阴极极化脱附，脱附率可达到100％，同时，活性炭的再生率为100％，可重复使用降低了工业成本。
4、本发明方法工艺流程简捷，设备简单，脱附过程控制容易，再生产品质量高，运行成本低。
5、首次将提高阴极电位应用于脱附无机阴离子。
具体实施方式
以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
实施例1：不同极板材料，阴极电位比较。
阴极电位测定的具体方法为：阴阳极极板规格为5cm×4.5cm×2mm的平板电极。阴极板底部打孔，Luggin玻璃毛细管(Lugging lass capillary)从阴极板孔中穿过测定阴极电位，同时，测定距阴极0cm、1.7cm、3.5cm处电位，毛细管另一端与一个饱和甘汞参比电极相连。
表1不同极板材料阴极电位比较
本发明阳极使用石墨，阴极使用铅板，相比于其他组合，在相同槽电压的情况下，本发明的组合可以使阴极电位更负。
实施例2：阳极电解活化5h。
槽电压5V，铅板作为阴极，石墨作为阳极，使用500mlSO4 2-浓度为2000mg/L的溶液作为支持电解质，控制pH为13，电解活化5h。不同槽电压下测定电解活化前后阳极电位。
表2不同槽电压下电解活化前后阳极电位
表2说明，相同条件下增加槽电压，活化后的石墨阳极电位提高幅度较小，更有利于通过提高槽电压来提高阴极电位。如果阳极电位提高到Cl-的析出电位，就会有大量的氯气析出。所以减小阳极电位的提高幅度，可以更有利于提高槽电压，进而达到提高阴极电位的目的。
实施例3：使用活化后的石墨电极，在不同槽电压条件下，测定阴极和阳极的电位。
将45g活性炭填充于三维电极阴极区，料层厚度3.5cm，阳极使用活化后的石墨电极，阴极使用铅板，阴阳极极板规格为5cm×4.5cm×2mm。SO4 2-浓度为2000mg/L的Na2SO4作为支持电解质，测定电位过程中控制pH为13，测定阴极和阳极的电位。
表3不同槽电压下阴极与阳极的电位
表3说明，随着槽电压增加，阴极电位大幅度提高，而阳极电位提高幅度较小。相比于其他电极材料和未经活化的石墨阳极，可以有效提高阴极电位。
实施例4：氯离子脱附实验
槽电压5V，阴极电位-1.7V，阳极电位0.66V。
将吸附氯离子饱和的45g活性炭填充于三维电极阴极区，料层厚度3.5cm，阳极使用石墨，阴极使用铅板，阴阳极极板规格为5cm×4.5cm×2mm。脱附液SO4 2-浓度为2000mg/L，脱附过程中控制pH为13，循环速度60rpm，脱附5h后，用0.22μm的滤头过滤吸附后的溶液，使用883瑞士万通离子色谱进行氯离子含量分析，脱附率为100％。
实施例5：硫酸根脱附实验
将吸附硫酸根饱和的45g活性炭填充于三维电极阴极区，料层厚度3.5cm，阳极使用石墨，阴极使用铅板，阴阳极极板规格为5cm×4.5cm×2mm。脱附液SO4 2-浓度为2000mg/L，脱附过程中控制槽电压5V，阴极电位-1.7V，pH为13，循环速度60rpm，脱附5h后，用0.22μm的滤头过滤脱附后的溶液，使用883瑞士万通离子色谱进行硫酸根含量分析，活性炭上吸附的硫酸根离子全部脱附，脱附率为100％。
实施例6：同时吸、脱附两种离子，活性炭循环实验
吸附过程：将45g活性炭填充于三维电极阴极区，料层厚度3.5cm，阴极使用石墨，阳极使用铅板，阴阳极极板规格为5cm×4.5cm×2mm。吸附液Cl-浓度1000mg/L，SO4 2-浓度为1200mg/L，吸附过程中槽电压1.5V，控制pH为2，循环速度60rpm，循环吸附5h后，用0.22μm的滤头过滤吸附后的溶液，使用883瑞士万通离子色谱进行离子含量分析。
将吸附氯离子和硫酸根离子饱和的45g活性炭填充于三维电极阴极区，料层厚度3.5cm，阳极使用活化后石墨，阴极使用铅板，阴阳极极板规格为5cm×4.5cm×2mm。脱附液SO4 2-浓度为2000mg/L，脱附过程中槽电压控制5V，pH为13，循环速度60rpm，脱附5h后，用0.22μm的滤头过滤脱附后的溶液，使用883瑞士万通离子色谱进行氯离子和硫酸根含量分析，两种离子均全部脱附，脱附率为100％。
经过以上吸附-脱附循环6次之后，活性炭仍可保持原有吸附量，每次都可100％脱附。

Claims (10)

1.一种通过提高阴极电位进行电化学脱附无机阴离子的方法，其特征在于，阳极使用石墨，阴极使用铅板，将阳极进行电解活化以提高阴极电位，然后采用三维电极装置将无机阴离子吸附饱和的活性炭填充于阴极区，通过电化学脱附无机阴离子使得活性炭再生，再生时槽电压5V-20V。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对阳极进行电解活化时控制槽电压5V-20V。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，电解活化至少5小时。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电解活化时使用SO4 2-溶液作为支持电解质。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，SO4 2-溶液中SO4 2-的浓度至少为2000mg/L。
6.根据权利要求1或4或5所述的方法，其特征在于，电解活化过程控制pH为13～14。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的无机阴离子包括氯离子、硫酸根离子、氟离子、硝酸根离子中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电化学脱附无机阴离子使得活性炭再生的过程：槽电压5V-20V，铅板作为阴极，电解活化后的石墨作为阳极，使用SO4 2-浓度为2000-4000mg/L的溶液作为脱附液，控制pH为13，对吸附无机阴离子饱和的活性炭脱附。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，电化学脱附无机阴离子使得活性炭再生的过程：槽电压5V，铅板作为阴极，电解活化后的石墨作为阳极，使用500ml SO4 2-浓度为2000mg/L的溶液作为脱附液，控制pH为13，使用蠕动泵将外部循环池内脱附液导入反应器，脱附后的溶液回流到循环池，蠕动泵循环速度60rpm，对45g吸附无机阴离子饱和的活性炭脱附5h。
10.根据权利要求1或8或9所述的方法，其特征在于，至少对活性炭再生循环使用6次而保持原有吸附性能。
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