一种采用具有可控电吸附/脱附功能的智能吸附电极去除与回收水中重金属离子的方法

本发明属于水处理，具体地，涉及但不限于一种采用具有可控电吸附/脱附功能的智能吸附电极去除与回收水中重金属离子的方法。

背景技术：

1、随着工业进程的加速，采矿、电镀和电路印刷等行业产生的重金属污染已对水环境造成了巨大的冲击。这种污染不仅对生态系统造成破坏，对公众健康也构成了严重风险，同时加深了对全球资源紧缺的忧虑。为应对这一挑战，从废水中高效移除重金属离子，并妥善地回收和利用这些资源变得至关重要。目前，应对重金属污染的技术方法众多，例如萃取、氧化、生物降解和吸附等。其中，吸附法因其操作简便和成本低廉而受到了研究者的广泛关注。然而，传统的吸附剂如活性炭、生物炭、沸石，因其固有的结构和表面特性，仍存在选择性不足及优化吸附与解吸效率的问题。更重要的是，传统吸附剂的再生过程常需依赖于强酸或强碱等有害化学品，以提供必要的能量来打破吸附剂与被吸附物之间的结合。这不仅增加了操作复杂度，还为环境带来了额外风险。因此，开发出更为智能和高效的吸附剂已成为该领域的迫切需求。

2、在新型吸附材料的设计中，能够精确调控吸附与解吸的动力学，如静电作用、共价键形成、范德华力和氢键等是至关重要的。相对于传统吸附材料，智能吸附材料能够对外部环境变化做出响应，自适应地调整其物理或化学特性，从而更为精确地调控吸附或解吸过程。这种能力与某些生物酶，例如乳酸脱氢酶，在离子结合时所展现的特性颇为相似。受此启发，部分酶的活性位点中的巯基能够在适当条件下形成二硫键，这一特征有助于选择性捕获并释放离子。此外，巯基被认为能与特定重金属形成稳定的化学键合，这为开发能够响应外部刺激的智能吸附系统提供了理论支撑。基于这一思路，含有二硫键的硫化聚丙烯腈(span)被认为具有巨大的电位响应潜力，而其在电池领域的应用证明了这一点。因此，设计一种具有可控电吸附/脱附功能的智能吸附电极，采用电位响应材料以及通过对电极电位的精细调控，可实现对复杂水体中重金属离子的高选择性吸附和释放，从而显著提高其回收效率并减少二次污染的风险。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决传统重金属污染处理技术选择性差、容量小、难操控、洗脱难度大，资源无法回收的问题，而提供一种具有可控电吸附/脱附功能的智能吸附电极用于水中重金属离子去除与回收。

2、本发明旨在利用电位响应的智能吸附电极，其在还原电位下能够选择性捕获重金属离子，而在氧化电位下释放这些离子。这种技术不仅打破了传统非选择性吸附的局限，还能解决选择性差、容量受限、难以洗脱、资源无法回收的问题。本发明不仅能实现对重金属离子的可逆捕获和释放，还能实现资源浓缩回收。

3、本发明提供了一种具有可控电吸附/脱附功能的智能吸附电极用于水中重金属离子去除与回收，其特征在于它是按照以下步骤进行的：

4、一、功能材料硫化聚丙烯腈的制备：将硫粉、聚丙烯腈、乙醇按比例进行混合，在真空下干燥，干燥的样品在惰性气体条件下热处理，得到黑色硫化聚丙烯腈粉末，标记为span。

5、二、智能吸附电极的制备：将步骤一中制得的硫化聚丙烯腈粉末加入到含有聚偏氟乙烯的n-甲基-2-吡咯烷酮溶液中，磁力搅拌，得到混合均匀的浆料；将亚氧化钛泡沫陶瓷浸泡在所得浆料中，静置一段时间后取出干燥，得到具有可控电吸附/脱附功能的智能吸附电极，标记为span@tiso。

6、三、用于水中重金属离子去除与回收：将步骤二中得到的智能吸附电极span@tiso加入反应池中，以span@tiso电极作为工作电极，高析氧电位电极作为对电极，ag/agcl作为参比电极，组成三电极体系；向反应池中加入电解质溶液；向反应池中加入待处理的重金属离子；在所述的智能吸附电极和对电极之间施加特定电压，实现重金属离子的去除与回收；处理过程中伴有搅拌。

7、进一步地，所述的功能材料硫化聚丙烯腈采用热聚合法制备：将硫粉、聚丙烯腈、乙醇按质量比(5～3)：1：(1～4)进行混合，在60-80℃下真空干燥6-12h，干燥的样品在280-350℃氩气条件下热处理2-4h，得到黑色硫化聚丙烯腈粉末。

8、进一步地，所述的智能吸附电极为负载硫化聚丙烯腈的亚氧化钛泡沫陶瓷电极，通过浸渍法制备：将亚氧化钛泡沫陶瓷浸泡在硫化聚丙烯腈与聚偏氟乙烯质量比为9：1～7：3的浆料中，静置60-120min，在60-80℃下真空干燥8-10h，最后得到智能吸附电极。

9、进一步地，所述的硫化聚丙烯腈在亚氧化钛泡沫陶瓷上的负载量为2～15mg cm-2。

10、进一步地，所述的反应池由阴离子交换膜分隔为两室：智能吸附室内设有智能吸附电极和参比电极，对电极室内放置对电极。

11、进一步地，所述的高析氧电位电极为亚氧化钛泡沫陶瓷电极。

12、进一步地，所述反应池中含有惰性电解质包括na2so4、nano3、naclo4至少一种，电解质浓度范围为1～30mmol l-1，ph为2～7。

13、进一步地，所述的待处理重金属离子为铜离子，加入到智能吸附室，浓度为10～500mg l-1。

14、进一步地，所述施加电压为0～1v；施加电压为0～0.4v，智能吸附电极对重金属离子进行吸附去除；施加电压为0.6～1v，智能吸附电极对吸附的重金属离子进行释放回收；处理过程中伴有搅拌，搅拌速度为300-1200r min-1；处理时间为5～120min。

15、本发明的机理如下：

16、首先需要明确本发明最主要的部分在于智能吸附电极。具有电位响应功能的硫化聚丙烯腈中独特的二硫键/巯基可逆转化机制发挥了关键作用，使其在施加特定电位时能够实现对重金属离子的高效吸附，并在变更电位下迅速释放。此外，通过引入多孔的亚氧化钛泡沫陶瓷作为基底，不仅提高了智能吸附电极的比表面积和电导率，也为其提供了更高的析氧电位，有效地减轻了吸附-解吸循环过程中的氧析出，确保处理过程中的高效性。本发明选择亚氧化钛泡沫电极，是因为其具有高析氧电位，可以解决电吸附/脱附过程中发生析氧或析氢，导致电荷效率降低的问题。其次，为了避免重金属离子在对电极上的沉积造成不良影响，设计了一个双室反应池，并使用阴离子交换膜进行隔离。

17、本发明包含以下有益效果：

18、1.本发明以硫、丙烯腈、亚氧化钛泡沫陶瓷为原料，制备得到了具有可控电吸附/脱附功能的智能吸附电极；硫化聚丙烯腈中独特的二硫键/巯基可逆转化机制发挥了关键作用，对重金属离子有较好的亲和力，同时具有良好的电化学性能；多孔基底亚氧化钛泡沫陶瓷的引入，大大增加了吸附电极的吸附活性位点，并提高了电极的电导率。通过精准调控电极电位，不仅可以实现选择性地去除重金属离子，从而保障了水质的安全性，还能在后续过程中有效地回收这些重金属，为资源再利用提供了新的可能性。

19、2.本发明制得的智能吸附电极具有优异的吸附和脱附性能，即使在低浓度的重金属离子环境中，也能保持较高的吸附量。实施例1中的材料表征证明span和tiso的结合提供了大量的有效吸附位点；实施例1中的电化学测试揭示了电位响应功能与重金属离子的相互作用。同时仅需通过调整电位，即可方便地实现电极的再生，确保其在多次循环使用中仍保持高稳定性。与传统吸附技术相比，本发明显著减少了化学试剂和水资源的消耗，具有巨大的环保价值和重金属污染废水处理潜力。

20、3.本发明所述的电极制备方法过程简单，所选用的原料对环境友好且成本较低，这使得其在大规模生产中具有明显优势。

21、4.本发明的智能吸附处理装置分为两个工作区，从而避免了处理过程中重金属离子在电极上沉积的问题。这一改进实现了能耗的降低和电流效率的提升，使得重金属污染的处理变得更为高效、经济以及可持续。

22、5.本发明有效地解决了传统吸附技术中存在的选择性较差、再生难度大及资源难以回收等问题。