一种面向除氟的电吸附电极制备方法及应用技术

本发明专利技术属于水处理技术领域，涉及一种面向除氟的电吸附电极制备方法及应用，本发明专利技术目的在于克服在中、高浓度下电吸附除氟效果差和阳极电极不耐氧化等弊端。在ACF电极表面进行氧化铝改性制备ACF

【技术实现步骤摘要】
一种面向除氟的电吸附电极制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及一种水处理
面向除氟的电吸附电极制备方法及应用，具体是利用常规ACF进行Al2O3改性制备ACF
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Al电极，随后在ACF
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Al电极表面涂膜制备ACF
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Al
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MCE电极，利用电吸附去除污染水体中氟化物。

技术介绍

[0002]氟化物半径小，配体作用强，容易在土壤、岩石、空气和植物中形成大量不同的有机和无机化合物，通常以几乎完全离解的氟离子形式存在于地表和地下水中。世卫组织(WHO)对饮用水水质标准规定，饮用水中的氟含量不得高于1.5mg/L，我国氟化物的相应标准限值是1.0mg/L。目前，全世界超过2亿人饮用水含氟量超标，高氟饮水会直接导致关节痛和氟牙症，高效脱氟引起生态环境领域普遍关注。
[0003]电容去离子法(CDI)又称电吸附，作为一种新兴且快速发展的电化学技术，可以从苦咸水中去除氟离子，并受到越来越多关注。它是通过在电极两端施加电场去除水中离子或分子的脱盐技术，具有能耗低、效率高、再生率高并且环境友好等特点。电吸附不仅可以高效地除盐、硬度和重金属离子，还可以去除氨氮等有机物。商用活性炭纤维(ACF)比表面积大，导电性强，成型组装方便，是一种理想的CDI电极材料。
[0004]常规ACF电极存在吸附容量低，在中、高浓度下除氟效果差和阳极电极不耐氧化等弊端。膜电容电吸附(MCDI)是电容法脱盐技术的强化过程，在传统的CDI组件的电极表面引入阴、阳离子膜层，减少了同离子效应，为离子迁移提供通道，降低迁移扩散阻力，从而提高了电极的处理效率，降低了能耗，膜电容电吸附(MCDI)在水处理中相比于常规的电容去离子法(CDI)有更好的应用效果。而不同的阴、阳离子交换膜物理结构不同，表面性质不同，对阴离子选择性不同，分离去除效果也不同。而目前在MCDI水处理除氟领域中，应用效果较佳的阴离子交换膜为季胺基型，但成本较高，并且常规MCDI中膜与电极之间间隙大，阻力大，阳极板易氧化、使用寿命降低。而自制的阴离子交换膜虽然成本有所降低，但难以取得MCDI膜相近的除氟效果。
[0005]目前CDI电极材料或MCDI的应用大多是针对低浓度含氟水中，例如饮用水等中的除氟应用。而对于中(20～50mg/L)、高(>50mg/L)浓度下除氟研究很少，原因是电吸附对于高浓度除氟不仅会出现效果差，应用困难等问题，同时对于膜的要求高，需要相当大的交换容量与电吸附容量。
[0006]为了解决上述问题，本专利技术以ACF为基底，在其表面负载Al2O3制成ACF
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Al电极，随后在ACF
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Al电极表面涂覆聚乙烯醇/聚乙烯亚胺(PVA/PEI)膜并进行交联反应，制得一体化ACF
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Al
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MCE电极，可以同时克服以上缺点。在中、高浓度下，ACF
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Al去除率较ACF电极有所提高，但在高浓度下ACF
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Al
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MCE电极较ACF
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Al除氟率提升了1.6倍左右，去除效果则更为显著。

技术实现思路

[0007]为了解决
技术介绍
中的问题，本专利技术提供了一种面向除氟的电吸附电极制备方法及应用，本专利技术在ACF电极表面进行氧化铝改性制备ACF
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Al电极，随后在ACF
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Al电极表面涂覆聚乙烯醇/聚乙烯亚胺(PVA/PEI)膜并进行交联反应，制得ACF
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Al
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MCE电极，提升在中、高浓度下除氟效果。本专利技术探索最佳Al2O3负载量范围和戊二醛投加量范围，制得最优电极，并设计非对称CDI系统。在中(20～50mg/L)、高(>50mg/L)浓度时，ACF
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Al
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MCE
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CDI均具有良好的除氟效果。
[0008]本专利技术是通过以下技术方案实现的，具体包括如下步骤：
[0009](1)制备ACF
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Al活性氧化铝改性电极：采用溶胶
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凝胶法制备，首先将适量的去离子水倒入烧杯中，随后放入磁力搅拌水浴锅中加热至85℃，之后称量约2.5wt％的C9H
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AlO3缓慢加入烧杯中并持续搅拌1h，再缓慢加入与C9H
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AlO3质量比1:1的1.5M的HNO3溶液继续搅拌1h，稳定透明的拟薄水铝石溶胶即可生成，最终将溶胶置于90℃的水浴锅中数小时可得所需氧化铝凝胶。在预处理后的ACF表层定量涂覆氧化铝凝胶，等烘干后放入方形坩埚中，随后将坩埚置于马弗炉中，空气氛围下，在250℃下热处理3h，即制得ACF
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Al电极。
[0010]其中通过控制Al2O3凝胶的涂覆量，并进行热处理实现不同的Al2O3负载量(8～24mg/cm2)，优化ACF
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Al电极。
[0011]ACF的比表面积为502.06m2/g，厚度2mm。ACF的预处理是指先将活性炭纤维进行裁剪，随后将其放在超声清洗仪中，处理20min，再放在去离子水中煮沸2h，每0.5h更换一次去离子水。最后将处理后的ACF浸泡在去离子水中24h，随后用去离子水将其洗净，控制出水电导小于5μs/cm。将预处理好的ACF放在125℃条件下的鼓风干燥箱中烘24h备用。
[0012](2)将预先称量的干燥聚乙烯醇溶解在去离子水中，并在90℃下加热，制备聚乙烯醇水溶液，将聚乙烯亚胺添加到制备的聚乙烯醇溶液中，在室温下将混合物剧烈搅拌24h，以形成均匀溶液。随后，将均匀溶液涂覆在由玻璃板支撑的ACF
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Al电极上，在60℃下干燥4h，并浸入60℃交联液中1h，交联后，在60℃下干燥，制备的涂膜式电极标记为ACF
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Al
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MCE；
[0013]聚乙烯醇溶液质量分数为10％；聚乙烯亚胺在聚乙烯醇溶液的添加量为10wt％。
[0014]交联液由异丙醇：去离子水：浓HCl：戊二醛体积比为50：10：1：0.1～1组成。通过戊二醛的加入量的调节，可以同时控制膜的化学结构和物理结构，以获得较好的分离效果。进一步优选为：交联液由异丙醇：去离子水：浓HCl：戊二醛体积比为50：10：1：0.5组成。
[0015](3)由步骤(2)制备的ACF
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Al
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MCE为阳极，ACF为阴极并设置阳离子交换膜组成非对称ACF
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Al
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MCE
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CDI电吸附系统。
[0016]其中阳离子交换膜为常用商用磺酸基型。
[0017](4)将制备的非对称ACF
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Al
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MCE
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CDI电吸附系统用于含氟废水中氟离子的去除。
[0018]进一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向除氟的电吸附电极制备方法，其特征在于：(1)在活性炭纤维电极表面涂覆氧化铝凝胶，烘干后置于马弗炉中热处理3h，制得ACF
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Al电极；其中Al2O3在活性炭纤维电极上的负载量为8～24mg/cm2；(2)将聚乙烯亚胺添加到制备的聚乙烯醇溶液中，在室温下将混合物搅拌以形成均匀溶液，随后，将均匀溶液涂覆在ACF
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Al电极上，干燥，并浸入交联液中反应，干燥，制备的涂膜式电极标记为ACF
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Al
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MCE；交联液由异丙醇：去离子水：浓HCl：戊二醛体积比为50：10：1：0.1～1组成。2.根据权利要求1所述面向除氟的电吸附电极制备方法，其特征在于：Al2O3在电极上的负载量为12.8mg/cm2。3.根据权利要求1所述面向除氟的电吸附电极制备方法，其特征在于：步骤(2)聚乙烯醇溶液质量分数为10％；聚乙烯亚胺在聚乙烯醇溶液的添加量为10wt％；浸入交联液中反应条件为60℃反应1h；干燥...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏永，李贤建，施荣凯，杨海晴，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：