CN113754032B

CN113754032B - 选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN113754032B
Application number: CN202110978650.3A
Authority: CN
Inventors: 王志伟; 高菲; 史威; 吴志超
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2021-08-25
Filing date: 2021-08-25
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2041-08-25
Also published as: CN113754032A

Abstract

本发明提供一种可选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极及其制备方法和应用，所述方法包括以下步骤：(1)通过酰氯反应制备1,1′‑二茂铁二甲酰氯，(2)通过酰胺反应制备1,1′‑二茂铁基苯胺单体,(3)通过化学氧化聚合反应制备二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料，(4)制备二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极。本发明将与磷酸根离子选择性响应的基团引入电极材料，制备了一种高选择性捕获磷酸根离子且离子存储容量大、性能稳定的复合电极，解决了电容除盐系统对污水中磷酸盐去除效果不佳的关键技术问题。

Description

选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于电化学水处理技术领域，具体涉及选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极及其制备方法和应用，适用于污水中磷酸盐的选择性去除。

背景技术

我国污水处理能力不断提高，但水体富营养化问题仍然严峻，脱氮除磷成为污水处理领域的热点和难点。目前，污水深度处理工艺效能以及化学药剂使用、产生的能耗和衍生污染，是制约污水中磷高效去除的瓶颈问题。电容去离子技术（CDI）显示出了独特的优势。CDI 是一种基于双电层电容理论或者电化学反应的电吸附脱盐技术。该技术具有低能耗、高效率、操作简便、无二次污染等优点，在污水净化和资源回收领域具有良好的应用前景。但是，现有CDI系统存在对磷酸盐选择性去除效率低以及电极脱盐容量有限等问题。

CDI 技术的核心是电极材料。碳材料具有比表面积较高、孔隙结构丰富、性能稳定、成本低廉且环境友好的特征，在CDI领域应用广泛。然而，单纯的碳材料存在电荷存储量有限及共离子效应等问题，脱盐能力处在较低水平，难以满足实际应用要求。另外，污水中磷酸根离子浓度低，且通常含有大量共存离子的水质特征对电极材料的选择性离子捕获能力和吸附容量提出了更高的要求。因此，研发一种与磷酸根离子选择性响应，且导电性好、吸附容量大的电极，是目前电化学水处理技术中亟需解决的问题。

发明内容

本发明针对上述缺陷，提供一种选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极及其制备方法与应用，解决了现存CDI电极对磷酸根离子选择性去除效率低以及吸附容量有限的关键技术问题。

本发明提供如下技术方案：选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极的制备方法，包括以下步骤：

1）1,1′-二茂铁二甲酰氯的制备：在惰性气体保护下，将1,1′-二茂铁二甲酸加入到苯中并搅拌成浆状体系，在搅拌条件下将草酰氯添加到上述浆状体系中进行酰氯反应，反应完毕后，经减压去除溶剂、苯溶解洗涤、离心、干燥得到1,1′-二茂铁二甲酰氯；

2）1,1′-二茂铁基苯胺单体的制备：在惰性气体保护下，将所述步骤1）制得的1,1′-二茂铁二甲酰氯加入到二氯甲烷中，搅拌使其溶解，再将由苯胺、三乙胺和二氯甲烷组成的混合液缓慢添加到上述含有1,1′-二茂铁二甲酰氯的二氯甲烷中，在搅拌条件下进行酰胺反应，反应结束经离心分离后，将生成物用二氯甲烷、氨水和乙醚依次洗涤、离心、干燥，得到1,1′-二茂铁基苯胺单体；

3）二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料的制备：将多壁碳纳米管分散在1 M盐酸中并超声冰浴1 ~ 3 h，将所述步骤2）制得的1,1′-二茂铁基苯胺单体和苯胺单体加入到上述多壁碳纳米管分散液中并超声冰浴1 h，然后将适量过硫酸铵溶于1 M盐酸中并冷却至0℃后逐滴加入到上述混合液中，在搅拌条件下反应12 ~ 24 h，经离心分离后依次用乙醇和去离子水洗涤、离心、干燥，得到二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料；

4）二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极的制备：将所述步骤3）制得的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料、导电炭黑混合均匀，再将质量分数浓度为2 wt%的聚偏氟乙烯氮甲基吡咯烷酮溶液加入其中混合均匀，得到制备浆料；将上述制备浆料均匀涂覆在石墨纸上，之后于烘箱干燥，再置于真空干燥，得到所述选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极。

进一步地，所述步骤1）中的1,1′-二茂铁二甲酸和草酰氯摩尔比1:3 ~ 1:5；采用的惰性气体为氮气或者氩气；酰氯反应温度为20 ~ 35℃，反应时间10 ~ 12 h。

进一步地，所述步骤2）中进行酰胺反应的混合溶液中1,1′-二茂铁二甲酰氯和苯胺摩尔比1:2 ~ 1:4；由苯胺、三乙胺和二氯甲烷组成的混合液中的三乙胺体积为40 ~ 60mL；采用的惰性气体为氮气或者氩气；酰胺反应温度为20 ~ 35℃，反应时间3 ~ 5 h。

进一步地，所述步骤3）中采用的多壁碳纳米管的质量为300 ~ 500 mg，长度为10~ 30 μm，直径为10 ~ 20 nm，多壁碳纳米管和1,1′-二茂铁基苯胺单体质量比为1:1；所述步骤3）中加入的1,1′-二茂铁基苯胺单体和苯胺单体摩尔比1:5 ~ 1:10；过硫酸铵滴加速度为1滴/秒，加入过硫酸铵后的反应温度为0 ~ 25℃。

进一步地，所述步骤4）中采用的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料、导电炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为(80~89):(1~10):10；烘箱烘干的条件为于60℃下干燥2 ~ 4 h；真空干燥的条件为控制真空干燥的温度为40℃，烘干时间为12 ~ 24 h。

本发明还提供上述制备方法制备得到的选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极。

本发明还提供上述二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极的应用，用于水中磷酸盐的选择性去除。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的方法所制备的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极可以基于法拉第电容和双电层电容吸附磷酸根离子，在电容脱盐中表现出优良的性能；在浓度2.5 mM，pH 6.5的磷酸盐溶液中，1.2 V工作电压下磷酸根离子吸附容量达到35 mg PO₄ ^3-/g。

2、本发明提供的方法所制备的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极，二茂铁基团均匀嵌入聚苯胺主链，增加了选择性吸附磷的活性位点，同时提高了电极循环稳定性。

3、本发明提供的方法所制备的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极具有选择性吸附磷酸根离子的性能优异，所含活性功能基团（二茂铁基和酰胺基）通过快速电荷转移进行氧化还原反应和氢键作用选择性吸附磷酸根离子，适用于复杂多元阴离子环境下磷酸根离子的选择性吸附分离；在含有0.3 mM NaH₂PO₄的1.5 mM NaCl溶液中，1.2 V工作电压下磷酸根离子吸附容量达到29 mg PO₄ ^3-/g。

4、本发明采用常规的原材料和设备，操作简单，易于工业化生产，具有良好的商业前景。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是本发明实施例1中提供的制备方法制备得到的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料的微观形貌图。

图2是本发明实施例1中提供的制备方法制备得到的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料、多壁碳纳米管和1,1′-二茂铁二甲酸的XRD衍射图和二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料和多壁碳纳米管的红外光谱图。

图3是本发明实施例1中提供的制备方法制备得到的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极在1 M NaCl、0.5 M Na₂SO₄、1 M NaH₂PO₄和1 M NaNO₃中的循环伏安图和恒电流充放电图。

图4是本发明实施例1中基于提供的制备方法制备得到的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极的电容脱盐评价池和基于多壁碳纳米管电极的电容脱盐评价池对含有0.3mM NaH₂PO₄的1.5 mM NaCl溶液中磷酸根离子的吸附曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例中一种选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极的制备方法，包括以下步骤：

1）1,1′-二茂铁二甲酰氯的制备：在惰性气体保护下，将27.4 g 1,1′-二茂铁二甲酸加入到100 mL苯中并搅拌成浆状体系，在搅拌条件下将33.85 mL草酰氯添加到上述浆状体系中进行酰氯反应，25℃下搅拌反应10 h，经减压去除溶剂、苯溶解洗涤、离心、干燥得到1,1′-二茂铁二甲酰氯。

2）1,1′-二茂铁基苯胺单体的制备：将15.55 g制得的1,1′-二茂铁二甲酰氯加入到200 mL二氯甲烷中，搅拌使其溶解。在惰性气体保护下，将由9.31 g苯胺、40 mL三乙胺和200 ml二氯甲烷组成的混合液缓慢添加到上述含有1,1′-二茂铁二甲酰氯的二氯甲烷中，在搅拌条件下进行酰胺反应，25℃下搅拌反应3 h，离心分离后，将生成物用二氯甲烷、氨水和乙醚依次洗涤、离心、干燥，得到1,1′-二茂铁基苯胺单体。

3）二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料的制备：将500 mg长度为10 ~ 30 μm、直径为10 ~20 nm的多壁碳纳米管分散在100 mL 1 M盐酸中并超声冰浴1.5 h，将500 mg制得的1,1′-二茂铁基苯胺单体和0.88 mL苯胺单体加入到上述多壁碳纳米管分散液中并超声冰浴1 h, 然后将2.42 g过硫酸铵溶于30 mL 1 M盐酸中并冷却至0℃后逐滴加入到上述混合液中，在搅拌条件下反应20 h，离心分离后，依次用乙醇和去离子水洗涤、离心、干燥，得到二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料。

4）二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极的制备：将500 mg制得的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管、62.5 mg导电炭黑混合均匀，再将3.125 g的聚偏氟乙烯氮甲基吡咯烷酮溶液加入混合均匀制备浆料，聚偏氟乙烯氮甲基吡咯烷酮溶液为将聚偏氟乙烯溶解在氮甲基吡咯烷酮中形成的聚偏氟乙烯质量分数浓度为2wt%的混合溶液。将上述浆料均匀涂覆在石墨纸上，涂覆厚度为均匀350 μm。在60℃烘箱中干燥2 h，再置于真空干燥箱，40℃下干燥20h，即为所述的一种选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极。

实施例1得到的一种选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料的微观形貌如图1所示，二茂铁改性聚苯胺均匀包覆在多壁碳纳米管外层。

实施例1得到的一种选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料的XRD曲线如图2（a）所示，测试时采用Cu-Kα靶，连续扫描速度为5 °/min，扫描范围5°～80°。从图中可以看出，所述二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料成功引入二茂铁基团。实施例1得到的一种选择性去除水中磷酸盐的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料的红外光谱曲线如图2（b）所示。从图中可以看出，1628 cm^-1处是醌式（N=Q=N）结构的吸收振动峰，1480 cm^-1处是苯式（N-B-N）结构的吸收振动峰，1566 cm^-1处是酰胺基团（-CO-NH-）的吸收峰。综合XRD和红外光谱数据表明所述二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料成功引入二茂铁改性聚苯胺。

实施例1得到的一种选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极在1 M NaCl、0.5 M Na₂SO₄、1 M NaH₂PO₄和1 M NaNO₃溶液中，扫描速率1 mV/s的循环伏安曲线如图3（a）所示。该电极在不同测试溶液中均具有一定的电容量。此外，该电极仅在1M NaH₂PO₄溶液中显示出明显的氧化还原峰，表明电极与磷酸根离子存在法拉第电容效应，进而说明电极对磷酸根离子具有较大的吸附容量和较高的选择性。实施例1得到的一种选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极在1 M NaCl、0.5 M Na₂SO₄、1M NaH₂PO₄和1 M NaNO₃溶液中，电流密度0.5 A/g的恒电流充放电曲线如图3（b）所示，进一步证实该电极对磷酸根离子具有较优的选择吸附性能。

将2片制备得到的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极安装到电容脱盐评价池中，以浓度2.5 mM，pH 6.5的磷酸盐溶液和含0.3 mM NaH₂PO₄的1.5 mM NaCl溶液分别作为测试溶液，两电极间施加1.2 V电压，测试溶液池中溶液循环经过两电极间流速为30 mL/min，吸附前和吸附过程中，从测试溶液池中取样测定磷酸根离子浓度，计算出电极磷酸根离子吸附容量在磷酸盐溶液中达到35 mg PO₄ ^3-/g ，在含0.3 mM NaH₂PO₄的1.5 mM NaCl溶液中达到29 mg PO₄ ^3-/g。

对比例1

本对比例中一种多壁碳纳米管电极的制备方法，包括以下步骤：

将500 mg多壁碳纳米管、62.5 mg导电炭黑混合均匀，再将3.125 g的聚偏氟乙烯氮甲基吡咯烷酮溶液加入混合均匀制备浆料，聚偏氟乙烯氮甲基吡咯烷酮溶液为将聚偏氟乙烯溶解在氮甲基吡咯烷酮中形成的聚偏氟乙烯质量分数浓度为2wt%的混合溶液。将上述浆料均匀涂覆在石墨纸上，涂覆厚度为均匀350 μm。在60℃烘箱中干燥2 h，再置于真空干燥箱，40 ℃下干燥20 h，即为所述多壁碳纳米管电极。

将2片制备得到的多壁碳纳米管电极安装到电容脱盐评价池中，以含0.3 mMNaH₂PO₄的1.5 mM NaCl溶液作为测试溶液，两电极间施加1.2 V电压，测试溶液池中溶液循环经过两电极间流速为30 mL/min，吸附前和吸附过程中，从测试溶液池中取样测定磷酸根离子浓度，计算出电极磷酸根离子吸附容量达到10.57 mg PO₄ ^3-/g。

另，如图4所示，以含0.3 mM NaH₂PO₄的1.5 mM NaCl溶液作为测试溶液，二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极的电容脱盐评价池对磷酸根离子的吸附容量相对于多壁碳纳米管电极的电容脱盐评价池对磷酸根离子的吸附容量提高了近3倍。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims

1.选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）1,1′-二茂铁二甲酰氯的制备：在惰性气体保护下，将1,1′-二茂铁二甲酸加入到苯中并搅拌成浆状体系，在搅拌条件下将草酰氯添加到上述浆状体系中进行酰氯反应，反应完毕后，经减压去除溶剂、采用苯进行溶解洗涤、离心和干燥得到1,1′-二茂铁二甲酰氯；

2）1,1′-二茂铁基苯胺单体的制备：在惰性气体保护下，将所述步骤1）制得的1,1′-二茂铁二甲酰氯加入到二氯甲烷中，搅拌使其溶解，再将由苯胺、三乙胺和二氯甲烷组成的混合液缓慢添加到含有1,1′-二茂铁二甲酰氯的二氯甲烷中，在搅拌条件下进行酰胺反应，反应结束经离心分离后，将生成物用二氯甲烷、氨水和乙醚依次洗涤、离心和干燥，得到1,1′-二茂铁基苯胺单体；

3）二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料的制备：将多壁碳纳米管分散在1 M盐酸中并超声冰浴1 ~ 3 h，将所述步骤2）制得的1,1′-二茂铁基苯胺单体和苯胺单体加入到多壁碳纳米管分散液中并超声冰浴1 h，然后将适量过硫酸铵溶于1 M盐酸中并冷却至0℃后逐滴加入到含有1,1′-二茂铁基苯胺单体和苯胺单体以及多壁碳纳米管的混合液中，在搅拌条件下反应12 ~ 24 h，经离心分离后依次用乙醇和去离子水洗涤、离心和干燥，得到二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料；

4）二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极的制备：将所述步骤3）制得的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料以及导电炭黑混合均匀，再将质量分数浓度为2 wt%的聚偏氟乙烯氮甲基吡咯烷酮溶液加入其中混合均匀，得到制备浆料；将上述制备浆料均匀涂覆在石墨纸上，之后于烘箱干燥，再置于真空干燥，得到所述选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极。

2.根据权利要求1所述的选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的1,1′-二茂铁二甲酸和草酰氯摩尔比1:3 ~1:5；采用的惰性气体为氮气或者氩气；酰氯反应温度为20 ~ 35℃，反应时间10 ~ 12 h。

3.根据权利要求1所述的选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中进行酰胺反应的混合溶液中1,1′-二茂铁二甲酰氯和苯胺摩尔比1:2 ~ 1:4；由苯胺、三乙胺和二氯甲烷组成的混合液中的三乙胺体积为40 ~ 60 mL；采用的惰性气体为氮气或者氩气；酰胺反应温度为20 ~ 35℃，反应时间3 ~ 5h。

4.根据权利要求1所述的选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中采用的多壁碳纳米管的质量为300 ~ 500 mg，长度为10 ~ 30 μm，直径为10 ~ 20 nm，多壁碳纳米管和1,1′-二茂铁基苯胺单体质量比为1:1；所述步骤3）中加入的1,1′-二茂铁基苯胺单体和苯胺单体摩尔比1:5 ~ 1:10；过硫酸铵滴加速度为1滴/秒，加入过硫酸铵后的反应温度为0 ~ 25℃。

5.根据权利要求1所述的选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中采用的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合材料、导电炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为(80~89):(1~10):10；烘箱烘干的条件为于60℃下干燥2 ~ 4 h；真空干燥的条件为控制真空干燥的温度为40℃，烘干时间为12 ~ 24 h。

6.根据权利要求1-5任一所述制备方法制备得到的选择性去除磷酸根离子的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极。

7.根据权利要求6所述的二茂铁改性聚苯胺/碳纳米管复合电极的应用，其特征在于，用于水中磷酸盐的选择性去除。