[发明专利]一种电化学去除液体中重金属的方法

说明书

本发明公开了一种电化学去除液体中重金属的方法，它包括以下步骤：1)将电极活性材料、导电剂、粘结剂按50～100∶10～30∶5～20的质量比混合，超声5～60min制成浆料，涂布于碳纸上，60～90℃真空烘干制成工作电极；2)将上述工作电极置于含有重金属的液体中，以空白碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，或者以工作电极和空白碳纸对电极组成两电极体系，制成超级电容器；3)对超级电容器进行充放电。本发明可高效地去除液体中的各种重金属，具有去除容量高，速度快，成本低，操作简便，环境友好等优点。

技术领域

本发明涉及液体中重金属离子的去除方法，具体的说涉及一种利用超级电容器原理电化学去除液体中重金属离子方法。

背景技术

重金属作为水体和土壤中主要污染物之一，来源于矿物开采、冶金、涂料的使用、核及其他工业生产等(Chem.Soc.Rev.,2013,42,3792-3807)。目前去除水中重金属主要方法有化学沉淀、离子交换、膜过滤、吸附、电渗析等。土壤中重金属主要通过化学固定。然而这些方法大多由于成本高、复杂及吸附量低在应用中受到限制。

超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的储能装置，以其功率密度高、充电时间短和循环寿命长等特点而备受关注(Chem.Int.Ed.,2013,52,1882-1889)。根据储能机理，可将超级电容器分为两类：一是电极与溶液界面形成双电层的电化学双电层电容器；二是电极与溶液中电活性物质间氧化还原的赝电容。电容去除(CDI)是一种基于双电层电容原理去除水中盐(NaCl、MgCl₂等)的技术，电极材料为碳材料，其优势为能源效率高且成本低。电容去除对盐的去除效果较好，N掺杂石墨烯用于双电层电容电极材料在NaCl初始含量为500mg/L时，对Na⁺去除量高达21.0mg/g。相比较而言，赝电容充放电时，电极材料氧化还原的同时也伴随着溶液离子在电极材料中的嵌入和脱出(Nature,2008,7,845-854)。因此，利用赝电容去除水中盐类效果更显著。目前基于电容器原理去除金属离子的技术多应用于Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等盐类离子，而对于重金属的去除尚未见报道。

赝电容电极材料一般为过渡金属氧化物，最常见的有RuO₂、MnO₂、NiO、Co₃O₄等。MnO₂以其理论比容量高，来源丰富、生产成本低且环境友好而广泛应用于超级电容器。另外MnO₂零点电荷较低，在中性条件对重金属离子具有较强吸附能力(Environ.Sci.Technol.,2008,42,779-785)，因此本发明选用MnO₂或碳纳米管改性的MnO₂作为电极材料，用于重金属的去除。

发明内容

本发明的目的是提供一种去除容量高，操作简单，清洁无污染的电化学去除液体中重金属的方法。

本发明所提供的方法包括以下步骤：

1)将电极活性材料、导电剂、粘结剂按50～100∶10～30∶5～20的质量比混合，超声处理5～60min制成浆料，涂布于碳纸上，60～90℃真空烘干制成工作电极；

2)将步骤1)的工作电极置于含有重金属的液体中，以空白碳纸为对电极，饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，或者将工作电极和空白碳纸对电极组成两电极体系，以三电极体系或两电极体系制成超级电容器；

3)对超级电容器进行充放电。

所述电极活性材料为锰氧化物或碳纳米管修饰的锰氧化物，所述锰氧化物可以是水钠锰矿、布塞尔矿、锂硬锰矿、锰钾矿、钙锰矿、软锰矿和拉锰矿等中的任何一种。

所述导电剂选自乙炔黑、Super P、Super S中的一种；