一种电吸附去除水中铜离子的方法与流程

本发明涉及一种水处理技术领域的方法，具体是利用酸化活性炭纤维作为电极材料电吸附去除水中Cu²⁺离子的方法，该方法去除速率快，不产生二次污染。

背景技术：

随着冶金工业和电子工业的发展，产生了大量的铜粉洗涤废水、电镀废水和印刷电路板生产过程的碱氨蚀刻废液，这些含铜废水具有较高经济价值，但对人及环境都有危害。相关研究表明，作为生命必须的有益元素，铜本身毒性较小，但人体吸入过量的铜后，就会刺激消化系统，引起腹痛呕吐，长期过量可造成肝硬化。铜对低等生物和农作物毒性也较大，对鱼类达0.1～0.2mg/L即可致死；对农作物，铜是重金属中毒性最高者，它以离子的形态固定于根部，影响养分吸收机能，使农作物出现病害。土壤中含铜量20mg/kg时，小麦会枯死；达到200mg/kg时，水稻会枯死。用含铜废水灌溉农田，将使作物受害，大大影响农作物的生长。氨蚀刻废液中铜离子超标14～16万倍，对水、土均会产生严重污染。当水中含铜0.01mg/L时，水的生化耗氧过程会受到抑制，对水体自净有明显的影响；超过3.0mg/L时会产生异味。而且水体中的铜元素不能被微生物分解，相反生物体可使其富集，并把它转化为毒性更大的重金属有机化合物，很容易通过水系进入人体。由于铜与人体中某些组织的亲和力特别大，结合后会抑制酶的活性，从而对人体发生毒害作用。

电容去离子(capacitive deionization，CDI)又称电吸附(electrosorption)，是一种利用带电的电极表面吸附水中离子和带电粒子，净化水体中离子及带电粒子的新型水处理技术，其优点是：去除过程不涉及氧化还原反应，能耗低；吸附饱和后的电极可通过施加反向电压或短路的方式得以再生，再生操作简便；去除离子过程中无需添加其他辅助材料，不产生二次污染；整个去除和再生过程中没有发生化学反应，电极使用寿命长。因此相比于传统除铜处理工艺，电容去离子技术在含铜等重金属废水处理的应用领域极具应用前景。

活性炭纤维是一种强度大、密度小、耐腐蚀的新型非金属材料。由于活性炭纤维具有比表面积大，微孔体积数大以及电阻率小等特点，作为电吸附电极材料得到一定应用。活性炭纤维具有连续的块状结构，能直接用作电吸附电极，因此可以简化制作工艺并降低使用成本。

技术实现要素：

本发明设计一种电吸附去除水中铜离子的方法，包括以下具体步骤：

(1)活性炭纤维酸化处理：用盐酸浸泡，然后用大量的去离子水冲洗，直至pH值为中性，电导率值小于5μS·cm^-1。放置于烘箱中110℃烘干，置于干燥器中得到酸化活性炭纤维；

(2)制备活性炭纤维电极：将步骤(1)中的酸化活性炭纤维裁剪成块状大小得到活性炭纤维电极；

(3)将步骤(2)中得到的活性炭纤维电极组装安装在电吸附模块中电吸附去除水中重金属离子；

(4)电吸附法去除水中重金属离子：配置重金属离子溶液，量取重金属离子溶液在烧杯中，将步骤(3)中组装好的活性炭纤维电极电吸附模块进行电吸附实验。电吸附实验利用蠕动泵抽取烧杯中的重金属离子溶液进入到电吸附模块，最终循环到烧杯中，同时使用电导率仪实时监测溶液中电导率的变化，当电导率保持不变时，即活性炭纤维电极达到吸附平衡。

(5)活性炭纤维电极的脱附再生：当活性炭纤维电极达到吸附饱和，将施加在电吸附模块上的电压短路或去除，溶液中的电导率将逐渐恢复到初始值，电极得到了脱附再生。

步骤(1)中所述的盐酸的浓度为1mol·L^-1，浸泡时间为3h，pH值接近6.9。

步骤(2)中所述的活性炭纤维电极大小为5cm×5cm。

步骤(3)所述的活性炭纤维电极电吸附去除水中的重金属离子为Cu²⁺。

步骤(4)所述的重金属离子Cu²⁺的浓度为100mg/L，工作电压为1.4V，进水流量为15ml/min。

本发明的优点在于：活性炭纤维的酸化改性的方法简便易行，易制作且环保无二次污染，利用改性后的活性炭纤维电极作为电吸附模块的电极具有效率高，操作简单，材料易制得且材料的循环使用性能与不经过改性后的材料具有大幅度的提升。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1为实施例一中制备的活性炭纤维改性后的扫描电镜图(SEM图)；

图2为实施例二中溶液Cu²⁺初始浓度对Cu²⁺去除率的影响；

图3为实施例三中工作电压对Cu²⁺去除率的影响；

图4为实施例四中进水流量对Cu²⁺去除率的影响；

图5为实施例五中活性炭纤维电极的吸附脱附再生次数对吸附于脱附率的影响。

具体实施方式

以下对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

活性炭纤维的预处理：将活性炭纤维裁剪成5cm×5cm的大小，用1mol·L^-1的盐酸浸泡3h，以去除活性炭纤维表面的灰分，然后用大量的去离子水冲洗，直至pH值为中性，电导率值小于5μS·cm^-1。放置于烘箱中110℃烘干，置于干燥器中。

实施例二

活性炭纤维酸化改性后电极制备过程与实施例一相同。

对活性炭纤维电极组成的电吸附模块进行电吸附去除水中铜离子的实验。将电吸附实验条件设置成电压为1.0V，进水流量为10mL/min，极板间距控制在1mm的条件下，分别研究了铜离子初始浓度在150mg/L、120mg/L、100mg/L、70mg/L时活性炭纤维电吸附去除铜离子的效果。实验结果如图2所示，可见改性后的活性纤维电极对Cu²⁺具有较好的吸附效果。

实施例三

活性炭纤维酸化改性后电极制备过程与实施例一相同。

选取初始浓度为150mg/L的铜离子溶液，电极间距由夹在两电极间的无纺布隔离，间距控制在1mm，控制进水流量为10ml/min，分别施加0V、1.0V、1.2V、1.4V、1.6V的工作电压，用活性炭纤维电极组装成电吸附模块进行电吸附去除铜离子实验，结果如图3示。可见在工作电压合适的情况下改性后的活性纤维电极对Cu²⁺具有较好的吸附效果。

实施例四

活性炭纤维酸化改性后电极制备过程与实施例一相同。

实验条件选取了铜离子浓度为100mg/L，工作电压控制在1.4V，电极间距由夹在两电极间的无纺布隔离，间距控制在1mm研究了活性炭纤维电极的吸附效果。

实施例五

活性炭纤维酸化改性后电极制备过程与实施例一相同。

对活性炭纤维改性后制成的电吸附电极进行循环电吸附实验。将活性炭纤维电极安装在电吸附模块中，施加工作电压为1.4V，进水流量控制在15ml/min循环吸附脱附浓度为100mg/L的Cu²⁺溶液，计算其吸附率与脱附率。实验结果如图5所示。第一次循环吸附脱附实验后，活性炭纤维的吸附率为50.86％，经过五次循环吸附脱附实验后，去除率仅降低了6.16％，说明该材料具有极高的再生性能。