一种电吸附去除水中铬（六价）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Cr⁶⁺离子的方法，该方法去除速率快，不产生二次污染。

背景技术：

铬的化合物以二价、三价和六价的形式存在，其毒性以六价铬最强。六价铬对人体具有致癌、致突变的作用，被列为对人体危害最大的8种化学物质之一，是国际公认的三种致癌金属物之一，也是美国环保署公认的129种重点污染物之一。鉴于铬的危害性，世界各国对铬的排放形态和排放量都进行了严格的限制。例如日本的最高排放总铬含量为2.0mg/L，加拿大为2.5mg/L。我国对铬排放标准为六价铬离子的浓度上限规定为0.5mg/L，总铬含量不得超过1.5mg/L。严格的排放标准无疑增大了处理难度，如何高效合理地处理含铬废水是当今的研究热点。国内外的学者在含铬废水治理方面进行了大量研究。

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。因此相比于传统除铬处理工艺，电容去离子技术在含铬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铬离子的方法，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Cr⁶⁺。

步骤(4)所述的重金属离子Cr⁶⁺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Cr⁶⁺初始浓度对Cr⁶⁺去除率的影响；

图3为实施例三中工作电压对Cr⁶⁺去除率的影响；

图4为实施例四中进水流量对Cr⁶⁺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铬离子的实验。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，分别研究了铬离子初始浓度在150mg/L、120mg/L、100mg/L、70mg/L时活性炭纤维电吸附去除铬离子的效果。实验结果如图2所示，可见改性后的活性纤维电极对Cr⁶⁺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的铬离子溶液，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铬离子实验，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Cr⁶⁺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。

实验条件选取了铬离子浓度为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Cr⁶⁺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52.8％，经过五次循环吸附脱附实验后，去除率仅降低了8.08％，说明该材料具有极高的再生性能。