一种氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰电极及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰电极及其制 备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 水体中的铬主要来源于电镀、涂料生产、纺织业、制革、木材防腐等行业。铬主要以 六价铬和三价铬的形式存在，其中六价铬具有强氧化性、高毒性、易迀移性和致癌性，其毒 性为三价铬的500倍。鉴于铬污染的危害性，美国环保局把铬列为优先污染物（Priority Pollutants)，并规定饮用水中总络的浓度应低于0. lmg/L，世界卫生组织亦规定六价络的 最高允许排放浓度为〇. 〇〇5mg/L，国内饮用水水质标准六价铬的限值为0. 05mg/L。因此，如 何快速有效地将高毒性的六价铬转换为低毒性的三价铬是处理六价铬废水的关键性步骤。
[0003] 目前通过该过程来处理含六价铬废水的方法主要包括化学还原法和电化学还原 法两大类。其中化学还原法主要是通过投加还原性物质，例如亚铁、亚硫酸盐以及硫化物 等，但是此类方法会产生大量的有毒污泥，容易造成其二次污染。而电化学还原法则是通过 阴极电子传递将六价铬转换为三价铬，其无需投加还原性化学物质，且污泥产生量非常小， 堪称六价铬处理的绿色技术。
[0004] 但是目前该技术仍存在如下诸多的不足：1)相比于高浓度的六价铬，低浓度的六 价铬更难被有效去除；2)电极比表面积较小，降低了电子的传递效率；3)六价铬以阴离子 的形式存在，电场力使其难以靠近阴极表面得到电子。以上不足也限制了该技术的广泛应 用。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种具有高吸附性、高 还原性以及高稳定性的氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰电极，还提供了该氨基乙酸掺杂聚苯胺修 饰电极的制备方法和应用。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰电极，包括电 极基材，电极基材的反应端表面修饰有聚苯胺，聚苯胺上掺杂有氨基乙酸。
[0007] 进一步的，前述电极基材具有网状或孔状结构。
[0008] 作为本发明的同一技术构思，本发明还提供了前述的氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰电 极的制备方法，包括以下步骤：
[0009] S1、将苯胺、聚乙烯醇、硫酸、氨基乙酸混合配制成水溶液，作为电解质液；以电极 基材作为工作电极，铂片作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极，建立三电极体系； [0010] S2、在步骤Sl中建立的三电极体系中进行伏安循环扫描，当阳极峰的单位有效体 积电流密度达到饱和值时停止扫描，完成氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰电极的制备。
[0011] 本发明制备方法的步骤Sl中，电极基材优选为网状玻璃碳，电极基材的孔密度为 30~100PPI (单位英寸长度上的平均孔数）。电极基材使用前，依次采用乙醇和水进行超 声清洗，其中乙醇的体积分数为80%~90%，超声清洗温度为20°C~50°C。
[0012] 进一步的，前述步骤SI中，电解质液在使用前还包括除氧气预处理步骤：往前述 水溶液中通入流量为20mL/min~50mL/min的氮气进行除氧气处理20min~40min。
[0013] 进一步的，前述步骤SI中，电解质液中，苯胺的浓度为5g/L~18g/L，聚乙稀醇的 浓度为〇. 5g/L~3g/L，硫酸的体积分数为10~30%，氨基乙酸的浓度为4g/L~12g/L。
[0014] 进一步的，前述步骤S2中，伏安循环扫描的电位为-0. 3V~1.0V，扫描速度为 20mV/s~60mV/s ;阳极峰的电位为0· IV~0· 3V ;饱和值为3000A/m3~6000A/m 3;步骤S2 的重复次数为2次~4次。伏安循环扫描过程中所采用的电位为相对于银/氯化银电极的 电位。
[0015] 作为本发明的同一技术构思，本发明还提供了一种前述的氨基乙酸掺杂聚苯胺修 饰电极或前述制备方法制得的氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰电极在处理含六价铬废水中的应 用。
[0016] 进一步的，前述应用包括以下步骤：将含六价铬废水加入到包括氨基乙酸掺杂聚 苯胺修饰电极和惰性电极的电解系统中，在氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰电极以及惰性电极上 施加方形脉冲电流进行电化学吸附还原反应，完成对含六价铬废水的处理。
[0017] 进一步的，前述方形脉冲电流的极性切换周期为Is~300s，电流大小为0. 1~ IOA0
[0018] 进一步的，前述含六价络废水pH值根据以下关联式进行调节：pH = -Ig [Cr (VI)/ (mol/L)]，其中Cr(VI)为废水中六价铬的浓度。
[0019] 本发明的应用中，电解系统采用直流电源，电解系统中的惰性电极优选为钛电极。
[0020] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0021] (1)本发明提供了一种氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰电极，采用掺杂有氨基乙酸的聚 苯胺修饰于电极反应端的表面，其中氨基乙酸对六价铬离子具有特异性化学吸附特性，能 够将低浓度的六价铬吸附在电极表面，实现其浓缩富集；同时电极表面的聚苯胺具有优良 的电化学还原特性，能够实现电子的快速传递。因此，本发明通过在电极表面修饰掺杂有氨 基乙酸的聚苯胺，使电极具有高吸附性、高还原性以及高稳定性等优点，实现了对含六价铬 废水的深度处理。
[0022] (2)本发明提供了一种氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰电极的制备方法，充分利用氨基 乙酸和聚苯胺的特点，采用伏安循环扫描法（CV)成功将氨基乙酸掺杂在聚苯胺上，制备了 一种氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰电极。其中电解质液采用苯胺、聚乙烯醇、硫酸、氨基乙酸混 合配制成水溶液，其中的聚乙烯醇显著提高了氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰电极的稳定性；而 以电极基材作为工作电极，铂片作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极，建立三电极体 系，具有易操作调控的优势。本发明采用伏安循环扫描法使溶液中的苯胺在特定电位下实 现自催化聚合，其氮元素携带正电荷，同时溶液中携带负电荷的氨基乙酸与携带正电荷氮 结合并掺杂到逐渐生长的聚合物主链内，相比于其他方法具有灵活性高、易调控等优势，使 制备得到的电极稳定性更高。
[0023] (3)本发明提供了一种氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰电极在处理含六价铬废水中的应 用，由于六价铬离子带负电荷，在传统直流电场的作用下，导致其难以作为阴极的修饰电极 表面聚集，反而向阳极表面聚集，这一特点已成为电化学还原技术去除六价铬的限制性步 骤。而本发明采用一种具有高吸附性、高还原性以及高稳定性的氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰 电极，同时通过极性切换的方法，实现其对含六价铬废水的深度处理。本发明通过掺杂氨基 乙酸实现了电极对六价铬离子的高效吸附特性，将低浓度的六价铬吸附在电极表面，使其 浓缩富集；同时利用电极表面的聚苯胺实现电子的快速传递。此外，借助方形脉冲电流，实 现电场方向的切换，使得六价铬离子能够在电场力的作用下向修饰电极表面迀移，进一步 强化其在修饰电极表面聚集，从而实现含六价铬废水的深度处理。本发明充分利用方形脉 冲电流的特点，不断切换修饰电极的极性。当修饰电极为阳极时，六价铬离子向其表面聚 集，并被修饰电极的氨基乙酸吸附；然后修饰电极切换为阴极时，在聚苯胺的作用下，六价 铬离子在修饰电极表面快速得到电子，实现其高效还原去除。本发明所采用的电化学还原 方式是一种处理含六价铬废水的绿色技术，其以电子直接作为还原剂，具有清洁无害，环境 友好等特点；同时由于其无需投加其他额外的还原剂，大大减少了污泥的产生量。
【附图说明】
[0024] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述。
[0025] 图1为本发明实施例1中氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰电极的制备方法流程图。
[0026] 图2为本发明实施例1中制备氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰电极的伏安循环扫描图。
[0027] 图3为本发明实施例1中制备的氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰电极的电镜图。
[0028] 图4为本发明实施例1中制备的氨基乙酸掺杂聚苯胺修饰电极的的能谱图。
[0029] 图5为本发明实