CN108423776A - 一种电容去离子耦合电催化协同去除重金属和有机物的方法 - Google Patents

一种电容去离子耦合电催化协同去除重金属和有机物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于水处理及资源回用领域，公开了一种电容去离子(CDI)耦合电催化系统及其协同去除水中重金属和有机污染物的方法。在外加电场的条件下(<2V)，耦合电容静电吸附作用及电催化氧化降解作用，同时去除重金属离子和有机物。本发明的有益之处：该复合电极电容去离子系统，采用具有催化活性的电极实现了水中重金属和有机物的协同去除，解决了传统的水处理技术只能处理单一污染体系的缺陷和问题。该反应体系简化了处理工艺、缩短流程、减轻了二次污染，有利于规模化、产业化的应用。

Description

一种电容去离子耦合电催化协同去除重金属和有机物的方法
技术领域
本发明属于水处理及资源回用技术领域，涉及一种电容去离子耦合电催化系统，并且利用该系统实现了协同去除水中重金属和有机物的目的。
背景技术
随着经济的快速发展，工业生产废水的大量不达标排放使得水体污染愈发严重，其中电镀行业废水，因含有大量的重金属离子、有机络合剂以及氰化物等，毒性很大，有“三致”效应，对生命安全危害大。这些络合剂的加入不仅大大增加了电镀出水的COD，而且与重金属离子结合形成稳定的络合物，使得废水中的部分金属离子无法通过形成氢氧化物沉淀去除，而且导致水质稳定，使废水处理难度大大增加。因此，对电镀废水必须认真进行回收处理，做到消除或减少其对环境的污染，是国内外环保领域亟需解决的问题。
电容去离子技术(CDI)是基于双电层理论，在一对电极间施加(<2V) 的电压，在静电引力作用下，电解液中的阴、阳离子分别向正、负电极表面迁移并且被吸附形成双电层，从水溶液中去除。当吸附饱和后，将电极短路或施加反向电压，阴、阳离子分别从正、负极中脱附下来，而生成浓盐水，实现电极再生。电化学催化氧化技术，能产生强氧化能力的羟基自由基和臭氧，在处理废水中有机污染物方面显示了优良的性能。
碳材料是CDI常用的电极材料，以碳材料为基底，负载催化剂，利用负载型碳电极实现同步电吸附除离子和电化学氧化有机物是可行的。
然而，尚未见在电容去离子的技术中同时去除有机污染物的报道。特别是利用回收的金属成分提高有机物去除效率的研究尚未见报道。本发明基于电容去离子技术，提供了一种结合电催化同时去除重金属离子和有机污染物的方法。
发明内容
本发明的目的在于针对电镀废水中的铜、镍、铅、镉等重金属污染物以及柠檬酸、EDTA等有机物复合污染问题，以碳材料为基底，负载二氧化钛或二氧化锰催化剂，制备新电极材料，并利用改性电极提供一种耦合电容去离子去除重金属和协同电催化去除有机物的方法。
本发明的技术方案：
一种电容去离子耦合电催化协同去除重金属和有机物的方法，步骤如下：
上述方法所用的电容去离子耦合电催化反应系统，包括电容去离子模块和催化电极耦合的电催化系统；所述的电容去离子模块从左到右依次为端板、集流体、硅胶垫片、催化电极、滤布、催化电极、硅胶垫片、集流体和端板；所述的催化电极为半导体材料或具有电催化活性的材料；在蠕动泵的作用下，储水池内的水自下而上流经电容去离子模块，再循环进入储水池，在电化学作用下，实现重金属和有机物的同步去除；直流电源为电容去离子模块提供电源。
所述的催化电极的制备方法：采用溶胶-凝胶法制备催化材料，电极基底通过浸渍提拉法负载催化材料；或者直接将催化材料原位生长于电极基底上；或采用粘结剂将催化材料涂覆于电极基底上；
所述的电极基底为导电碳材料，包括活性炭、活性碳纤维(ACF)、石墨烯、碳纳米管等；
所述的催化材料是TiO2、MnO2、ZnO等金属氧化物。
本体系应用于协同去除重金属和有机物，例如以硫酸铜和柠檬酸配制的溶液作为模拟混合废水，以直流电源通过集流体对电极提供外加电压，通过蠕动泵循环进、出水，间隔一定时间采样，连续运行5h。
本发明的有益之处：该电容去离子系统，采用具有催化活性的电极，在外加电压的条件下，通过静电吸附以及电化学催化作用同时去除铜离子和柠檬酸，当电压超过铜离子还原电位，低价态铜与催化剂协同作用，增强了电极的催化活性，在回收铜的同时，实现了对有机物的降解，解决了传统的水处理技术只能处理单一污染体系的问题。回收的铜离子在电极上被还原形成具有催化作用的成分，与负载的催化成分协同作用，提高了有机物的去除效率。该反应体系占地小、流程短、节能环保，利于开展放大和中试实验，以推进成果的产业化。
附图说明
图1是一种电容去离子耦合电催化装置图。
图2是对比ACF-ACF、TiO2/ACF-ACF、ACF-TiO2/ACF和ACF/TiO2- ACF/TiO2(阴极-阳极)四种电极组合方式对铜离子的去除率的影响，图中横坐标为时间(单位：分钟)，纵坐标为铜离子的去除率。
图3是对比ACF-ACF、TiO2/ACF-ACF、ACF-TiO2/ACF和ACF/TiO2- ACF/TiO2四种电极组合方式对COD的去除率的影响，图中横坐标为电极组合方式(阴极-阳极)，纵坐标为COD的去除率。
图中：1直流电源；2电容去离子模块；3储水池；4蠕动泵；
5有机玻璃端板；6硅胶垫片；7集流体；8催化电极；9滤布。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例
(1)TiO2溶胶的制备：取14mL钛酸四丁酯，16mL无水乙醇于烧杯中，连续快速搅拌30min，即为溶液A；另取8mL无水乙醇，2.4mL去离子水， 1.4mL冰乙酸于烧杯中，滴加浓HCl调节pH为2，即为溶液B；在连续搅拌的同时，采用注射器将溶液B缓慢注入溶液A中，搅拌40min左右形成TiO2溶胶。
(2)TiO2/ACF电极的制备：用镊子将预处理的活性碳纤维毡(ACF)浸渍于TiO2溶胶中，浸渍5min提拉，使二氧化钛溶胶附着在碳毡上，在105℃烘干，再浸渍，反复三次，烘干；然后将TiO2/ACF浸没于去离子水中，95℃水浴反应2h，反应结束，用去离子水清洗掉不牢固的TiO2，60℃烘干，放入塑封袋备用。
(3)电容去离子耦合电催化协同去除重金属和有机物实验：配制 100mg/L铜离子溶液+200mg/L柠檬酸模拟废水，直流电源提供电压为1.2V，蠕动泵进出流量为10mL/min，连续运行5h，前2个小时内，每30min取一次样，后3个小时每隔1h取样，用于分析铜离子浓度变化；取初始水样和5h的水样分析COD变化。采用重铬酸钾法测定出水COD去除率，以及采用双环己酮草酰二腙分光光度法分析铜离子去除率。实验对比了ACF-ACF、TiO2/ACF- ACF、ACF-TiO2/ACF和ACF/TiO2-ACF/TiO2(阴极-阳极)四种电极组合方式对铜离子和柠檬酸的去除率的影响，如图2和图3所示，模拟废水通过静电吸附耦合电催化作用，连续运行5h，铜离子去除率分别为89.06％、95.64％、 73.65％和93.25％，COD去除率分别为38.46％、62.92％、14.37％和33.16％。其中回收的铜离子在电极上形成具有催化作用的物种，对有机物去除发挥协同催化作用。

Claims (5)

1.一种电容去离子耦合电催化协同去除重金属和有机物的方法，其特征在于，步骤如下：
上述方法所用的电容去离子耦合电催化反应系统，包括电容去离子模块和催化电极耦合的电催化系统；所述的电容去离子模块从左到右依次为端板、集流体、硅胶垫片、催化电极、滤布、催化电极、硅胶垫片、集流体和端板；所述的催化电极为半导体材料或具有电催化活性的材料；在蠕动泵的作用下，储水池内的水自下而上流经电容去离子模块，再循环进入储水池，在电化学作用下，实现重金属和有机物的同步去除；直流电源为电容去离子模块提供电源。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的催化电极的制备方法：采用溶胶-凝胶法制备催化材料，电极基底通过浸渍提拉法负载催化材料；或直接将催化材料原位生长于电极基底上；或采用粘结剂将催化材料涂覆于电极基底上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的电极基底为导电碳材料，包括活性炭、活性碳纤维、石墨烯和碳纳米管。
4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述的催化材料是TiO2、MnO2或ZnO。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的催化电极为TiO2/ACF-ACF。
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