等離子強(qiáng)化碳納米管及其復(fù)合物電極電容去除鉛離子研究.pdf

1、重金屬鉛對(duì)人體具有極大毒性，鉛污染一旦產(chǎn)生將不能被降解。面對(duì)當(dāng)前我國(guó)水體鉛污染嚴(yán)峻形勢(shì)，研究含鉛廢水的凈化處理對(duì)水資源安全具有重要意義。傳統(tǒng)鉛污染處理方法存在能耗高、投資大、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，而電容去離子（CDI）技術(shù)具有能耗低、無(wú)污染、電極易再生和維護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)，是一種極具前景的離子去除技術(shù)。目前該技術(shù)主要應(yīng)用于海水淡化與苦鹽水脫鹽，對(duì)低濃度重金屬鉛的去除研究較少，其去除機(jī)理、工藝參數(shù)和影響因素等有待進(jìn)一步深入研究。因此，系統(tǒng)研究含

2、鉛廢水的CDI處理技術(shù)，具有重要的理論意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
　　本文系統(tǒng)研究了碳納米管（CNT）電極、等離子強(qiáng)化CNT電極及CNT與聚吡咯（PPy）復(fù)合材料電極電容去除鉛離子的電極材料制備與改性方法、除鉛工藝、去除過(guò)程動(dòng)力學(xué)及機(jī)理，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　探討了碳納米管前處理和電極制備工藝對(duì)電極電化學(xué)性能、鉛離子吸附量的影響。研究了碳納米管和碳納米管電極的形貌、孔徑分布特征、電化學(xué)性能、潤(rùn)濕性能等。分析了CNT電極電容去除鉛

3、離子的工藝條件包括電壓、流速等及水質(zhì)條件如pH值、溫度、初始濃度、共存離子等對(duì)CNT電極去除鉛離子的影響。結(jié)果表明：采用KOH對(duì)CNT前處理后，CNT的比表面積增大，CNT電極的電化學(xué)活性增強(qiáng)，比電容提高90％，在初始鉛濃度為10 mg/L時(shí)，電極的平衡吸附量提高21%。當(dāng)粘接劑用量為10%時(shí)，電極的綜合性能較好。由 CNT和粘接劑壓制成的電極，相對(duì)CNT其比表面積和孔容減小，電極的潤(rùn)濕性差。確定了CNT電極電容去除鉛離子的實(shí)驗(yàn)工藝條件

4、：電壓450 mV、流速20 mL/min、溫度20℃、pH=6。去除過(guò)程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和Freundlich吸附等溫模型。根據(jù)雙電層理論建立CNT電極電容去除鉛離子動(dòng)態(tài)過(guò)程模型，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，結(jié)合循環(huán)伏安法和交流阻抗分析，表明電極對(duì)鉛離子的吸附為典型的雙電層電容吸附。
　　為改善CNT電極比表面積、電化學(xué)性能和潤(rùn)濕性，以提高電容去除鉛離子的吸附量，采用空氣等離子直接對(duì)CNT電極進(jìn)行活化處理。研究了等離子工藝條件對(duì)電

5、極性能和電容去除鉛離子吸附量的影響。對(duì)比分析了等離子活化前后電極的表面形貌、比表面積、孔徑分布特征、電化學(xué)性能和潤(rùn)濕性能，結(jié)合等離子原理推測(cè)等離子活化電極的機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，等離子活化5 min后，P-CNT電極表面的含氧和含氮官能團(tuán)顯著增加、粘接劑含量降低，電極的比表面積和孔容均增加，表面呈超親水特性，電化學(xué)活性增強(qiáng)，比電容提高47.4%，傳質(zhì)電阻降低，初始鉛濃度為10 mg/L時(shí)，鉛離子的吸附量提高58.6%。研究了等離子活化電極電容

6、去除鉛離子的工藝和水質(zhì)條件等對(duì)電極吸附量的影響，確定的工藝、水質(zhì)條件與CNT電極一致。分析了P-CNT電極除鉛的動(dòng)力學(xué)、吸附等溫線，去除過(guò)程符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和Freundlich吸附等溫模型。由于表面含有較多的氧官能團(tuán)，其螯合和氫鍵作用在高濃度時(shí)增強(qiáng)，因此鉛濃度增加時(shí)，鉛吸附量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果大于雙電層吸附動(dòng)態(tài)過(guò)程模型的仿真結(jié)果。
　　采用導(dǎo)電高分子聚吡咯（PPy）和CNT制備復(fù)合材料，以進(jìn)一步提高 CNT電極的比電容和電容去除鉛離子

7、的吸附量。為改善復(fù)合材料性能，首先采用空氣等離子對(duì)CNT進(jìn)行改性處理，再共價(jià)接枝 PPy。研究了P-CNT-PPy復(fù)合材料制備工藝對(duì)電極性能的影響，推測(cè)其制備機(jī)理。對(duì)比分析CNT改性處理對(duì)復(fù)合材料物理化學(xué)、電化學(xué)性能和離子吸附量的影響。研究了P-CNT-PPy電極電容去除鉛離子的工藝條件、動(dòng)力學(xué)、吸附等溫線及去除機(jī)理。確定P-CNT-PPy的制備工藝條件為：CNT等離子改性20 min，CNT與吡咯單體的質(zhì)量比為1:4、鹽酸添加量為10

8、 mL和APS分兩次添加。CNT經(jīng)等離子改性后，部分PPy可通過(guò)P-CNT上的吡咯型氮形成共價(jià)鍵聚合，因而復(fù)合材料具有較長(zhǎng)的共軛結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性，比電容比 CNT提高5.7倍。在初始鉛濃度50 mg/L、電壓450 mV條件下，鉛離子吸附量比CNT電極提高1.6倍。確定的P-CNT-PPy電極去除鉛離子的實(shí)驗(yàn)工藝條件為：電壓600 mV、pH=6。鉛離子去除過(guò)程符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和Langmuir吸附等溫模型，離子吸附發(fā)生在