一种CeO2活化碳电极制备方法及电容法去除硫酸根方法

本发明属于废水处理，具体涉及一种ceo2活化碳电极制备方法及电容法去除硫酸根方法。

背景技术：

1、矿产资源开采的同时也产生了大量的矿山废水，尤其是煤矿。矿用水中的硫酸盐浓度通常从每升几百毫克到几千毫克。硫酸盐废水的大量排放将造成水矿化、设备结垢，还会导致自然界硫循环紊乱。在厌氧条件下，硫酸盐还原细菌还可以产生对生态系统有毒的气体h2s。此外h2s本身具有非常强的毒性，水体中含有这类物质就会抑制水生生物的生长繁殖，导致生物的死亡，使水体丧失原本的生态调节功能。如果灌溉农田的水源中含有硫化物，农作物的生长就会受到抑制，造成农作物的枯萎死亡。由于这些不利影响，世界卫生组织(who)和美国环境保护署(epa)建议硫酸盐的最大浓度为250 ppm。化学沉淀法、生物法、吸附法、离子交换法和膜技术等方法已被应用于去除硫酸盐。然而，这些方法有局限性，例如，成本高、存在二次污染、膜污染和结垢等问题。因此，研究如何经济有效地去除矿山废水中的硫酸盐是十分必要的。

2、电容去离子技术(cdi)是一种基于双电层理论利用高容量电极去除水中正负离子的新方法，当在电极上施加电势时，它们会吸引并固定相反的带电离子在电极表面，形成双电层，使水中带电离子被储存在双电层以内，从而将水中的离子去除。与其他去离子技术相比，该技术具有能耗低、维护操作简单、可再生快、环境友好、经济高效等优点，是一项有前途的技术。因此将其用于对矿山废水中硫酸盐的处理具有重要价值。

3、影响cdi系统离子去除性能的因素很多，其中电极材料的选择和制备最为重要。现有技术中合成和研究了多种碳材料，例如，活性炭(ac)，碳纳米管，碳气凝胶，活性炭纤维，石墨烯等及其复合材料。在这些碳基材料中，活性炭具有独特的特性，特别是其低廉的价格、良好的孔径分布和对对环境污染物处理能力强。但是它的低润湿性、低电导率和低比电容限制了它在cdi中的发展。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明一种ceo2活化碳电极制备方法及电容法去除硫酸根方法，采用溶胶凝胶法制备ceo2活化碳电极，并将其用于电容法去除矿井水中的硫酸盐。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种ceo2活化碳电极制备方法：将0.31 g/份硝酸铈六水合物和0.45 g/份柠檬酸一水合物溶解至25 ml/份去离子水中制备溶液一，将0.62 g/份硝酸铈六水合物和0.9 g/份柠檬酸一水合物溶解至25 ml/份去离子水中制备溶液二；再将溶液一、溶液二混合搅拌1h，然后在70℃恒温中连续搅拌，在凝胶形成前，加入活性炭粉末并继续搅拌，直到形成湿凝胶；得到的湿凝胶烘干得到干凝胶，最后在氮气气氛下以5℃/min升温速率加热到650℃，加热2小时，自然冷却到室温，得到ceo2掺杂质量比活化碳粉末；通过涂覆法制备ceo2活化碳电极，确定活性炭粉末、导电炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为8:1:1，取0.1 g/份聚偏氟乙烯缓慢加入3 ml/份二甲基乙酰胺中并一边搅拌，待聚偏氟乙烯完全溶解，将溶液倒入装有0.8g /份活化碳粉末和0.1 g/份导电炭黑混合物中，研磨至形成蜂蜜状粘稠浆料，采用涂布法将浆料浇注到石墨纸上，在室温下干燥30 min，然后在100℃下加热得到ceo2/ac电极。

4、进一步的，所述湿凝胶在105℃环境中烘干2 h得到干凝胶。

5、进一步的，所述所述ceo2活化碳粉末的ceo2:ac质量比为5-10%

6、进一步的，所述ceo2活化碳粉末的ceo2:ac最佳质量比为5%。

7、进一步的，所述ceo2/ac电极涂层厚度设定为400 μm。

8、一种电容法去除硫酸根方法：cdi除硫酸根系统由cdi模块、直流电源、泵、电导率仪和搅拌器组成，所述直流电源为系统提供稳定的电压，所述泵为所述cdi模块提供稳定的进出水，所述电导率仪检测溶液电导率的变化，所述搅拌器使溶液保持均匀，所述cdi模块由一对对称的上述ceo2/ac电极，一个橡胶隔板和外壳组成，ceo2/ac电极、橡胶隔板用螺钉固定在外壳上，橡胶隔板位于正负ceo2/ac电极中间；

9、除硫酸根的步骤如下:

10、(1)将硫酸根废水通入cdi模块；

11、(2)打开泵设定流速值；开启直流电源，设定操作电压，运行cdi模块；

12、(3)过程中，监测电流值和电导率；

13、(4)待电流值不发生变化时,停止除硫酸根工作或更换硫酸盐废水。

14、进一步的，所述直流电源的操作电压为0.8~1.6v，泵设定流速为10ml~50ml/s。

15、进一步的，所述最佳操作电压为1.4v。

16、进一步的，所述最佳流速为30 ml/min。

17、本发明的有益效果：

18、本发明采用溶胶凝胶法制备ceo2活化碳电极，ceo2:ac质量比为5%时，具有最好的润湿性以及最高的比电容和最低的电导率。考察cdi工艺参数电压、流速、初始浓度对处理效果的影响以获得最佳工艺参数为电压1.4v、流速30 ml/min。此外，ceo2(5)-ac电极具有良好的循环性能，在20次吸附-解吸循环后仍然保持91%的sac保留率，在含有多种共存离子及重金属的废水中对so42−有良好的脱除效果，同时能够有效去除废水中的共存离子及重金属。

技术特征：

1.一种ceo2活化碳电极制备方法，其特征在于：将0.31 g/份硝酸铈六水合物和0.45 g/份柠檬酸一水合物溶解至25 ml/份去离子水中制备溶液一，将0.62 g/份硝酸铈六水合物和0.9 g/份柠檬酸一水合物溶解至25 ml/份去离子水中制备溶液二；再将溶液一、溶液二混合搅拌1 h，然后在70℃恒温中连续搅拌，在凝胶形成前，加入活性炭粉末并继续搅拌，直到形成湿凝胶；得到的湿凝胶烘干得到干凝胶，最后在氮气气氛下以5℃/min升温速率加热到650℃，加热2小时，自然冷却到室温，得到ceo2掺杂质量比活化碳粉末；通过涂覆法制备ceo2活化碳电极，确定活性炭粉末、导电炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为8:1:1，取0.1 g/份聚偏氟乙烯缓慢加入3 ml/份二甲基乙酰胺中并一边搅拌，待聚偏氟乙烯完全溶解，将溶液倒入装有0.8 g /份活化碳粉末和0.1 g/份导电炭黑混合物中，研磨至形成蜂蜜状粘稠浆料，采用涂布法将浆料浇注到石墨纸上，在室温下干燥30 min，然后在100℃下加热得到ceo2/ac电极。

2.根据权利要求1所述的一种ceo2活化碳电极制备方法，其特征在于：所述湿凝胶在105℃环境中烘干2 h得到干凝胶。

3.根据权利要求1所述的一种ceo2活化碳电极制备方法，其特征在于：所述所述ceo2活化碳粉末的ceo2:ac质量比为5-10%。

4.根据权利要求1所述的一种ceo2活化碳电极制备方法，其特征在于：所述ceo2活化碳粉末的ceo2:ac最佳质量比为5%。

5.根据权利要求1所述的一种ceo2活化碳电极制备方法，其特征在于：所述ceo2/ac电极涂层厚度设定为400 μm。

6.一种电容法去除硫酸根方法，其特征在于：cdi除硫酸根系统由cdi模块、直流电源、泵、电导率仪和搅拌器组成，所述直流电源为系统提供稳定的电压，所述泵为所述cdi模块提供稳定的进出水，所述电导率仪检测溶液电导率的变化，所述搅拌器使溶液保持均匀，所述cdi模块由一对对称的权利要求1至5任一项所述的ceo2/ac电极，一个橡胶隔板和外壳组成，ceo2/ac电极、橡胶隔板用螺钉固定在外壳上，橡胶隔板位于正负ceo2/ac电极中间；

7.根据权利要求6所述的一种电容法去除硫酸根方法，其特征在于：所述直流电源的操作电压为0.8~1.6v，泵设定流速为10ml~50ml/s。

8.根据权利要求6所述的一种电容法去除硫酸根方法，其特征在于：所述最佳操作电压为1.4v。

9.根据权利要求6所述的一种电容法去除硫酸根方法，其特征在于：所述最佳流速为30ml/min。

技术总结
本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种CeO<subgt;2</subgt;活化碳电极制备方法及电容法去除硫酸根方法，采用溶胶凝胶法制备CeO<subgt;2</subgt;活化碳电极，并将其用于电容法去除矿井水中的硫酸盐，本发明采用溶胶凝胶法制备CeO<subgt;2</subgt;活化碳电极，CeO<subgt;2</subgt;:AC质量比为5%时，具有最好的润湿性以及最高的比电容和最低的电导率。考察CDI工艺参数电压、流速、初始浓度对处理效果的影响以获得最佳工艺参数为电压1.4V、流速30 mL/min。此外，CeO<subgt;2</subgt;/AC电极具有良好的循环性能，在20次吸附‑解吸循环后仍然保持91%的SAC保留率，在含有多种共存离子及重金属的废水中对SO<subgt;4</subgt;<supgt;2−</supgt;有良好的脱除效果，同时能够有效去除废水中的共存离子及重金属。

技术研发人员：冯秀娟,邹彦鋆,朱易春
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/11