活性材料、吸附电极、电容去离子装置及制备方法和应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种活性材料、吸附电极、电容去离子装置及制备方法和应用，活性材料为聚吡咯包裹的FeMnO3作为电极，纯FeMnO3粉末采用化学沉淀法和煅烧法制得，聚吡咯Ppy包裹的FeMnO3纳米颗粒采用化学聚合法制得，FeMnO3和导电聚合物以原位聚合的方式复合，使得Ppy包裹在FeMnO3纳米颗粒外面，可有效应用于电吸附去除重金属离子领域；本发明专利技术还公开了一种电容去重金属离子吸附电极、电容去离子装置及其应用，以该电极作为负极，将该电容去离子装置应用于重金属去除，实现了对不同重金属离子的高效电吸附，同时所述电极在重金属吸附中具有稳定的循环性，有效解决了以碳材料作为电极时容量限制和再生困难的问题。量限制和再生困难的问题。量限制和再生困难的问题。

【技术实现步骤摘要】
活性材料、吸附电极、电容去离子装置及制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电容去重金属离子
，尤其涉及一种用于去除重金属离子的活性材料、吸附电极、电容去离子装置及制备方法和应用。

技术介绍

[0002]21世纪以来，随着经济和人口的快速发展，人类的可持续发展对淡水和清洁饮用水的需求迫切增加。重金属污染是一种严重的威胁，对水和自然环境产生不利影响。铬(Cr)、钴(Co)、镍(Cr)、铜(Cu)、铅(Pb)和镉(Cd)等重金属离子是废水中的剧毒污染物，通过食物链进入生物体中导致生物积累，并且相对于有机污染物而言极难降解。更不幸的是，即使是微量的重金属离子暴露也可能导致诸如痛痛病、肾病甚至癌症等疾病和疾病。
[0003]为了实现这些金属离子的有效净化，已经采用了几种水修复方法，例如絮凝、膜分离、吸附和化学沉淀。然而，这些传统技术通常受到相当大的限制，例如去除能力不足，成本过高，二次污染不友好。
[0004]电容去离子技术(CDI)是一种新型环境友好型的水净化技术，与传统技术相比，具备低能耗、无二次污染和电极可再生的优点。目前，利用CDI技术去除重金属离子所用的电极基本采用碳基材料，即利用双电层效应，广谱性电吸附水中的带电离子，但其低容量和无离子性的缺点使得其难以适应重金属污水处理的需求。尽管与传统CDI技术相比，膜CDI技术可有效避免共离子排出效应和提高离子吸附性，但是其昂贵的造价及高能耗又限制了CDI技术的发展，同时重金属离子在离子交换膜上的沉积和再生污染问题令人担忧。因此，迫切需要发展新型电极材料和无膜CDI技术用于高效去除重金属离子实现饮用水净化，且具有重大意义。

技术实现思路

[0005]为克服现有技术中去除重金属的材料具有的不可再生、造价高、吸附效果差的不足之处，本专利技术提供了一种活性材料、吸附电极、电容去离子装置及制备方法和应用。以聚吡咯即Ppy包裹的FeMnO3(FMO@Ppy)作为电极的活性材料，制得电容去离子吸附电极；以该电容去离子吸附电极作为负极，还提供了一种电容去离子装置及其用途，实现了对重金属离子的高效电吸附，同时所述电极在重金属吸附中具有稳定的循环性，有效解决了以碳材料作为电极时容量限制和再生困难的问题。
[0006]为了解决本专利技术的技术问题，所采取的技术方案为，一种活性材料，该活性材料呈纳米片或者纳米花状，由聚吡咯包裹FeMnO3纳米颗粒组成，所述聚吡咯与所述FeMnO3纳米颗粒的质量比为(5
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30):100，所述聚吡咯在FeMnO3纳米颗粒上的包裹厚度为150
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300nm。
[0007]为了解决本专利技术的技术问题，所采取的另一个技术方案为，一种活性材料的制备方法，包括如下步骤：取100ml的去离子水加入10
‑
20mg十二烷基磺酸钠，然后加入200mg的FeMnO3粉末，超声分散30min
‑
3h后，加入26
‑
79ul吡咯单体和200
‑
250mg氧化剂，搅拌1
‑
5h，聚合反应生成活性材料。
[0008]作为活性材料的制备方法进一步的改进：
[0009]优选的，所述FeMnO3粉末由以下步骤制得：将锰源溶液和铁源溶液混合，其中锰源溶液中锰离子和铁源溶液中铁离子的摩尔比为1:(1
‑
4)，搅拌40
‑
50min至混合均匀，加入草酸至混合溶液无色，搅拌均匀，调节pH为9
‑
12后沉淀，静置2
‑
10h，离心、洗涤、干燥、研磨，制得FeMnO3前驱体，再将FeMnO3前驱体在600
‑
950℃下煅烧1
‑
5h得到FeMnO3粉末。
[0010]优选的，所述锰源溶液为硫酸锰溶液、硝酸锰溶液、乙酸锰溶液中的一种，锰源溶液的溶剂为去离子水、N，N
‑
二甲基甲酰胺、醇溶剂中一种或两种及以上的组合；所述铁源溶液为硝酸铁溶液、氯化铁溶液、乙酸铁溶液中的一种，铁源溶液的溶剂为去离子水、N，N
‑
二甲基甲酰胺、醇溶剂中一种或两种及以上的组合。
[0011]优选的，所述氧化剂为过硫酸铵或三氯化铁。
[0012]为解决本专利技术的技术问题，所采取的又一个技术方案为，一种由活性材料制得的吸附电极，该吸附电极除活性材料外还包括集流体、导电剂和胶粘剂，所述活性材料、导电剂、胶粘剂的重量比为(80
‑
95):5:5。
[0013]作为由活性材料制得的吸附电极进一步的改进：
[0014]优选的，所述集流体为钛片、石墨纸或碳纸，所述导电剂为科琴黑或乙炔黑，所述胶粘剂为聚偏氟乙烯即PVDF、聚四氟乙烯即PTFE或全氟磺酸基聚合物即Nafion。
[0015]为解决本专利技术的技术问题，所采取的再一个技术方案为，一种电容去离子装置，包括不对称设置的正极和负极，所述负极为上述所述的吸附电极，所述正极的电极材料为活性碳。
[0016]为解决本专利技术的技术问题，所采取的最后一个技术方案为，一种电容去离子装置在重金属净化中的应用。
[0017]作为电容去离子装置在重金属净化中的应用进一步改进：
[0018]优选的，所述重金属为铬、钴、镍、铜、铅、镉离子中的一种或两种及以上的组合，以溶液的形式存在，溶液中重金属离子的浓度为10
‑
200ppm，溶液中的阴离子为氯离子、硝酸根离子、硫酸根离子中的一种或两种及以上的组合；所述正极和负极的电压均为0.8
‑
1.2V，吸附后的正极和负极通过短接实现再生。
[0019]本专利技术相比现有技术的有益效果在于：
[0020]1)本专利技术提供了一种电容去离子吸附电极及相应的电容去离子(CDI)装置。所述电极及电容去离子(CDI)装置以PPy导电聚合物包裹的FeMnO3(FMO@PPy)作为负极的活性材料，能够高效去除水中重金属离子，普适性强；同时电极中具有高吸附量，有效解决了碳材料的容量限制问题。不仅如此，FMO@PPy电极具有优异的循环电吸附稳定性，可实现15次以上的循环电吸附。
[0021]2)本专利技术所述电容去离子吸附电极及相应的电容去离子(CDI)装置能够应用于重金属去除。进行电吸附时，操作简单，无需加入离子交换膜，仅通过传统CDI技术即可完成高效去除水体中重金属离子。在优选方案中，PPy掺杂量为20％时得到的FMO@PPy电极，效果更佳，具有更为优异的吸附性量。
[0022]3)现有技术中电极材料选用单金属氧化物或者双金属铁氧体氧化物，制备方法选择在基底材料上电沉积电极材料；与现有技术不同，本专利技术的活性材料选用聚吡咯Ppy包裹钙钛矿型氧化物FeMnO3，不需要基底辅助生长，纯FeMnO3粉末采用化学沉淀法和煅烧法制
得，聚吡咯Ppy包裹的FeMnO3纳米颗粒采用化学聚合法制得，FeMnO3和导电聚合物以原位聚合的方式复合，使得Ppy包裹在FeMnO3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种活性材料，其特征在于，该活性材料呈纳米片或者纳米花状，由聚吡咯包裹FeMnO3纳米颗粒组成，所述聚吡咯与所述FeMnO3纳米颗粒的质量比为(5
‑
30):100，所述聚吡咯在FeMnO3纳米颗粒上的包裹厚度为150
‑
300nm。2.一种权利要求1所述活性材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：取100ml的去离子水加入10
‑
20mg十二烷基磺酸钠，然后加入200mg的FeMnO3粉末，超声分散30min
‑
3h后，加入26
‑
79ul吡咯单体和200
‑
250mg氧化剂，搅拌1
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5h，聚合反应生成活性材料。3.根据权利要求2所述的活性材料的制备方法，其特征在于，所述FeMnO3粉末由以下步骤制得：将锰源溶液和铁源溶液混合，其中锰源溶液中锰离子和铁源溶液中铁离子的摩尔比为1:(1
‑
4)，搅拌40
‑
50min至混合均匀，加入草酸至混合溶液无色，搅拌均匀，调节pH为9
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12后沉淀，静置2
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10h，离心、洗涤、干燥、研磨，制得FeMnO3前驱体，再将FeMnO3前驱体在600
‑
950℃下煅烧1
‑
5h得到FeMnO3粉末。4.根据权利要求3所述的活性材料的制备方法，其特征在于，所述锰源溶液为硫酸锰溶液、硝酸锰溶液、乙酸锰...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宏建，徐应生，张海民，赵惠军，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：