用于吸附废水中金属离子的工作电极、电吸附系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于吸附废水中金属离子的工作电极、电吸附系统及方法，属于电吸附化学工程技术领域。所述工作电极以碳布或碳纸为基底，以偕胺肟基为功能基团，通过含氧基团作为连接位点接枝到形成；采用氧化

【技术实现步骤摘要】
用于吸附废水中金属离子的工作电极、电吸附系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种用于吸附废水中金属离子的工作电极、电吸附系统及方法，具体地说，涉及一种利用方波周期性电场选择性吸附与回收酸性废水，如核工业废水、铀矿浸出液、钢铁工业酸性废水及稀土冶炼废水中含有的多种金属离子的工作电极、电吸附系统及方法，属于电吸附化学工程


技术介绍

[0002]随着中国核电事业的发展，从核工业废水中分离铀、钍和锆等资源，是核燃料循环的重要目的。此外，开采、冶炼以及提纯等涉及铀资源的操作过程都会产生含多种金属离子的酸性核工业废水。在自然降水浸取与输送的影响下，酸性核工业废水中的金属离子，尤其是重金属离子会释放迁移至土壤和水体，致使人体产生癌变和其它放射性病变。在铀矿开采加工过程中，经常采用酸浸(多数采用硫酸)的方法来从铀矿石中浸出铀，在这个工艺过程中，同样溶解了很多矿石中的大量杂质，使得该过程产生的铀矿浸出液中含有很多金属杂离子。另外，在钢铁生产工业，会在钢材加工前用硫酸进行酸洗除去钢材表面上的氧化物及毛刺等来提高钢材的表面质量。酸洗后会产生大量pH值较低的酸性废水，并含有一定量的铁离子及多种杂质。中国稀土矿多采用湿法冶炼，从而产生了大量酸性废水。另外，由于稀土矿种类的复杂性，废水中同时含有浓度极高的氟化物、多种重金属离子以及其他污染物质，对环境造成了很大危害。
[0003]我国对含重金属离子的酸性废水的处理和排放有着严格的标准要求。因此，无论是从资源的可持续利用还是环境安全的角度考虑，对酸性核工业废水、铀矿浸出液、钢铁工业酸性废水及稀土冶炼废水中金属离子及重金属离子的去除和回收工作都具有重大意义。
[0004]目前，Liu等用半波矫正交流电的方法高选择性吸附了海水中的铀(Liu C,Hsu P C,Xie J,et al.A half
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wave rectified alternating current electrochemical method for uranium extraction from seawater[J].Nature Energy,2017,2(4):17007.)，Shi等采用周期性交流电位法，能在pH值为5以及多种金属离子共存时提高电极对铀的选择性吸附能力(Zhang P,Wang L,Huang Z,et al.Aryl Diazonium
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Assisted Amidoximation of MXene for Boosting Water Stability and Uranyl Sequestration via Electrochemical Sorption[J].ACS Applied Materials&Interfaces,2020,12(13):15579
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15587.)，由此可见电吸附方法在碱性海水和pH值为5的水溶液中选择性分离重金属离子的可行性。
[0005]电吸附系统一般由供电装置和吸附装置组成，供电装置为能调节电压、频率、波形等参数的电源，吸附装置为使用吸附材料作为工作电极的电吸附反应池，供电装置和吸附装置通过导线连接形成完整的回路。溶液中的带电离子在电场力的作用下向电荷相反电极方向移动，吸附在电极材料表面，使溶液中目标带电离子的浓度逐渐降低，从而达到净化水体的目的。
[0006]电吸附的性能在很大程度上取决于所用的电极材料。碳族元素材料由于其导电性
好，含氧官能团多，比表面积大等优点，目前已经成为电吸附的主要研究对象。
[0007]然而，尚未见在pH值小于等于3的强酸性废水，如酸性核工业废水、铀矿浸出液、钢铁工业酸性废水及稀土冶炼废水的处理中使用方波周期性电场，特别是利用不同的方波周期性电场分别电吸附和回收多种不同金属离子的研究报道。现有电吸附含铀水体技术中使用的电极在pH值小于等于3的强酸性条件下吸附效果差，且当废水中存在多种金属离子时选择吸附性很低。

技术实现思路

[0008]针对现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的之一在于提供一种用于吸附废水中离子的工作电极，所述工作电极以碳布或碳纸为基底，以偕胺肟基为功能基团，所述工作电极在酸性，尤其是在pH小于等于3的强酸性废水中的作为电吸附的导电电极和吸附材料使用。
[0009]本专利技术的目的之二在于提供一种用于吸附废水中金属离子的电吸附系统，所述电吸附系统的工作电极采用本专利技术所述的一种用于吸附废水中金属离子的工作电极，通过在酸性，尤其是在pH小于等于3的强酸性废水中施加方波周期性电场实现有效吸附并回收其中的多种金属离子。
[0010]本专利技术的目的之三在于提供一种用于吸附废水中金属离子的方法。所述方法采用本专利技术所述的一种用于吸附废水中金属离子的电吸附系统，利用方波周期性电场在酸性，尤其是在pH小于等于3的强酸性废水中有效吸附并回收其中的多种金属离子。
[0011]为实现本专利技术的目的，提供以下技术方案。
[0012]一种用于吸附废水中金属离子的工作电极，所述工作电极以碳材料为基底，所述碳材料为碳布或碳纸，以偕胺肟基为功能基团；所述功能基团与所述基底通过含氧基团作为连接位点接枝到一起构成偕胺肟基改性的碳材料，即为所述工作电极。根据使用需求，将所述工作电极进行裁剪，即可用于使用。
[0013]一种本专利技术所述用于吸附废水中金属离子的工作电极的制备方法，所述方法步骤如下：
[0014](1)将干燥的碳材料基底完全浸没在质量分数为68％～98％浓硝酸中，加热至80℃～100℃反应3h～4h进行氧化，得到氧化碳材料，用水冲洗直至冲洗液的pH值为5～7，得到冲洗后的氧化碳材料。
[0015]步骤(1)中：
[0016]所述碳材料基底为碳布或碳纸。
[0017]所述水为去离子水纯度以上的水。
[0018]优选冲洗直至冲洗液的pH值为7。
[0019](2)将丙烯酸、丙烯腈和N,N
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二甲基甲酰胺混合得到混合溶液，将步骤(1)冲洗后的氧化碳材料完全浸没在所述混合溶液中，加热至78℃～82℃回流搅拌反应24h～30h，干燥得到腈基化碳材料。
[0020]步骤(2)中：
[0021]优选所述混合溶液中，丙烯酸、丙烯腈和N,N
‑
二甲基甲酰胺的体积比为1:4:4。
[0022](3)将盐酸羟胺加入到甲醇水溶液中得到混合溶液，用氢氧化钠将混合溶液的pH调节为碱性，再将步骤(2)制得的腈基化碳材料完全浸没在混合溶液中，加热至60℃～90℃
搅拌反应10h～12h，干燥，得到偕胺肟基改性的碳材料，即为所述工作电极，根据所需尺寸裁剪即可使用。
[0023]步骤(3)中：
[0024]优选甲醇水溶液中甲醇与水的体积比为2:3。
[0025]甲醇水溶液中的水为去离子水纯度以上的水。
[0026]优选将混合溶液的pH值调节为8。
[0027]一种用于吸附废水中金属离子的电吸附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于吸附废水中金属离子的工作电极，其特征在于：所述工作电极以碳材料为基底，所述碳材料为碳布或碳纸，以偕胺肟基为功能基团；所述功能基团与所述基底通过含氧基团作为连接位点接枝到一起构成偕胺肟基改性的碳材料，即为所述工作电极；所述废水为硝酸或硫酸或氢氟酸形成的酸性废水溶液，其中含有金属离子包括但不限于铀酰离子、锆离子、铁离子、铅离子、镍离子、钙离子、铯离子、锰离子、铜离子、镁离子和锶离子中的一种以上。2.根据权利要求1所述的一种用于吸附废水中金属离子的工作电极，其特征在于：所述金属离子每种离子的浓度为5mg/L～50mg/L。3.根据权利要求1所述的一种用于吸附废水中金属离子的工作电极，其特征在于：所述废水为酸性核工业废水、铀矿浸出液、钢铁工业酸性废水和稀土冶炼废水中的一种以上。4.根据权利要求1所述的一种用于吸附废水中金属离子的工作电极，其特征在于：所述废水为酸性核工业废水、铀矿浸出液、钢铁工业酸性废水和稀土冶炼废水中的一种以上，所述金属离子每种离子的浓度为5mg/L～50mg/L。5.一种权利要求1～4中任一项所述的用于吸附废水中金属离子的工作电极的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：(1)将干燥的碳材料基底完全浸没在质量分数为68％～98％浓硝酸中，加热至80℃～100℃反应3h～4h进行氧化，得到氧化碳材料，用水冲洗直至冲洗液的pH值为5～7，得到冲洗后的氧化碳材料；(2)将丙烯酸、丙烯腈和N,N
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二甲基甲酰胺混合得到混合溶液，将冲洗后的氧化碳材料完全浸没在所述混合溶液中，加热至78℃～82℃回流搅拌反应24h～30h，干燥得到腈基化碳材料；(3)将盐酸羟胺加入到甲醇水溶液中得到混合溶液，用氢氧化钠将混合溶液的pH调节为碱性，再将腈基化碳材料完全浸没在混合溶液中，加热至60℃～90℃搅拌反应10h～12h，干燥，得到偕胺肟基改性的碳材料，即为所述工作电极；步骤(1)中：所述碳材料基底为碳布或碳纸；所述水为去离子水纯度以上的水；步骤(3)中：甲醇水溶液中的水为去离子水纯度以上的水。6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：张东翔，潘萌，唐威务，张子磊，谢钟音，张丹，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：