将聚吡咯/壳聚糖复合电极应用于重金属离子吸附的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于重金属离子的吸附处理技术领域，特别涉及一种将聚吡咯/壳聚糖复 合电极应用于重金属离子吸附的方法。
【背景技术】
[0002] 重金属因具有良好的物理性质，在社会生产、生活中得到广泛的应用。但是，重金 属同样带来了严重的污染问题。重金属污染物具有的显著特征是:来源广泛、易累积、残留 时间较长、难以被生物降解。重金属离子进入环境后不仅对水生生物构成威胁，而且往往参 与食物链，能富集到较高浓度，并最终危害到人类的健康。因此，如何科学有效的处理重金 属离子已成为人们研究的热点之一。
[0003] 电容法去离子技术(CDI)是利用电极充/放电时的静电作用对溶液中的阴/阳离子 进行吸/脱附，来实现离子的去除。现阶段，CDI技术多用于海水淡化方面。CDI的核心部件是 性能优良的电极材料，主要包括碳材料、过渡金属氧化物和导电聚合物三类。其中，研究较 多的导电聚合物除了具有本身的高分子特性之外，还兼具了因掺杂而带来的半导体或导体 的特性。
[0004] 目前，处理重金属废水常用的方法有化学沉淀法、氧化还原法、吸附法、离子交换 法、生物处理法、电渗析等。其中，吸附法因取材容易，成本低廉，去除效果好而受到广泛使 用。但是，对于脱附过程（以酸脱附为例），要消耗掉大量酸溶液，这就造成吸附剂再生成本 的提尚。
[0005] 本发明所使用的聚吡咯/壳聚糖复合电极已通过之前的发明专利（【申请号】 201610008198.7)制备得到。
【发明内容】
[0006] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种将聚吡咯/壳聚糖复 合电极应用于重金属离子吸附的方法，同时提供了聚吡咯/壳聚糖复合电极材料的再生方 法。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0008] -种将聚吡咯/壳聚糖复合电极应用于重金属离子吸附的方法，将连接电源负极 的聚吡咯/壳聚糖复合电极和连接电源正极的对电极置入待吸附的溶液中，接通电源，搅拌 溶液，开始吸附过程。
[0009] 所述电源为直流电源，所述对电极为石墨电极，作为阳极。
[0010] 所述聚吡咯/壳聚糖复合电极通过如下方式制备：
[0011] (1)称取一定量的壳聚糖均匀分散到乙酸溶液中，搅拌，加入掺杂剂，反应一定时 间后，将溶液pH调至4;
[0012] (2)向步骤（1)所得溶液中逐滴加入FeCl3溶液，反应一定时间后，缓慢加入吡咯， 之后将混合溶液定容、搅拌、静置；
[0013] (3)将步骤(2)所得溶液调至中性，搅拌、真空抽滤、水洗滤饼，并置于真空干燥箱 中干燥至膏状，得到复合材料，收集备用；
[0014] (4)称取一定量步骤(3)所得的复合材料于研钵中研磨，加入少量活性炭继续研磨 至物料混合均匀；
[0015] (5)将步骤(4)中所得的混合材料填装到恒温模具中，将模具置于台式粉末压样机 上，热压成型，冷却、脱模；
[0016] (6)将热压成型的复合材料在常温下干燥、恒重、打磨，获得聚吡咯/壳聚糖复合电 极。
[0017] 所述步骤（1)中壳聚糖的质量为l.Og，脱乙酰度为80.0-95.0%，乙酸溶液的体积 为100mL、质量浓度为2%，掺杂剂为十二烷基苯磺酸钠，其浓度为O.lmol · Γ1、体积为80mL; 步骤(1)中调节pH所用试剂为HC1溶液，其浓度为lmol · Γ1;步骤(1)中搅拌方式为采用磁力 搅拌器搅拌，反应时间为20min;步骤(2)中FeCl3溶液的浓度为0.5mol · Γ1、体积为24mL，吡 咯的体积为700yL，定容体积为250mL;步骤(2)中反应时间为30min，磁力搅拌的时间为2h， 静置的时间为22h;步骤(3)中调节pH所用试剂为NaOH溶液，其浓度为lmol · Γ1，搅拌时间为 30min;步骤(4)中按照样品：活性炭= 19:1的质量比加入活性炭，样品与活性炭的质量共 3g;步骤(5)中模具温度为150°C，加入填料后为保持温度恒定，继续恒温5min，热压压力为 l〇MPa，热压温度为150°C，热压时间为30min。
[0018] 所述聚吡咯/壳聚糖复合电极和对电极正对设置，正对面积为3.14cm2,间距5cm。
[0019] 所述待吸附的溶液设置于吸附槽中，吸附槽为有机玻璃容器，所述搅拌通过搅拌 装置完成，搅拌装置为磁力搅拌器，吸附槽置于磁力搅拌器上。
[0020] 重金属离子溶液体积为100mL，重金属离子浓度为50mg/L~200mg/L，电源电压设 置为IV~3V，重金属离子为Cu 2+、Pb2+、Ag2+和Cd2+，吸附过程总时间为lh。
[0021] 待吸附过程完成之后，将聚吡咯/壳聚糖复合电极连接电源正极，对电极连接电源 负极，置于去离子水中，搅拌并接通电源，实现再生，再生过程总时间为吸附时间的一半。
[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0023] (1)除了复合电极本身的吸附作用以外，还有静电吸附作用；
[0024] (2)-般的吸附材料大多存在对某个或某种离子吸附效果好而对其他离子吸附效 果差的问题，而采用复合电极吸附几乎对所有重金属离子都有较好的吸附效果；
[0025] (3)再生过程采用去离子水作为再生溶液，对再生溶液没有太多要求，可以节约再 生成本；
[0026] (4)吸附过程受加载电压控制，吸附过程可控性强，可调节性好；
[0027] (5)吸附装置与再生装置切换方便，避免产生过多中间环节，节约成本与时间。
[0028] 综上所述，本发明基于CDI技术将自制的聚吡咯/壳聚糖复合电极应用于重金属离 子吸附过程，取得了良好的吸附效果，该吸附过程对不同金属离子的去除效率均在50%左 右;本发明系用外接电源控制吸附过程，这使得吸附过程的可调节性增强;本发明通过将电 源正负极颠倒的方式使聚吡咯/壳聚糖复合电极再生，首次吸附/再生循环的再生率达 92%，连续进行10次循环后再生率仍能够达到90 %。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明中的吸附/再生装置示意图。
[0030] 图2为不同离子浓度下时间-吸附量关系曲线。
[0031] 图3为不同电压下时间-浓度关系曲线。
[0032] 图4为不同金属离子的时间-吸附率关系曲线。
[0033] 图5为吸附与再生过程中时间-浓度关系曲线。
[0034] 图6为吸附与再生循环过程中时间-浓度关系曲线。
【具体实施方式】
[0035]申请人研究发现，聚吡咯是导电聚合物中的一种，当聚吡咯掺杂有机大阴离子时， 可以吸附溶液中的阳离子，但是其机械强度较差。壳聚糖具有良好的成膜性和机械强度，对 金属离子也有一定的吸附作用，但是其比重小，吸附速率慢。如果通过合适的方式将二者各 自的优越性能整合，则可获得良好效果。
[0036]下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明。但有必要指出，以下实施例 仅用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟 练人员根据本
【发明内容】
对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。 [0037]另外，值得说明的是：
[0038] 实验中采用原子吸收分光光度计检测溶液中离子的浓度。分别用以下公式计算电 极吸附量和再生率。
[0039]
[0040] 其中：Q-电极的吸附量(mg/g)，0)，&-分别为吸附溶液的初始浓度和最终浓度(mg/ L)，V-吸附溶液的体积(V)，m-聚吡咯/壳聚糖复合电极的质量(g)，C2-脱附溶液的浓度(mg/ L)，V2-脱附溶液的体积(V) ,νο,ν:-分别为吸附溶液的初始体积和最终体积(V)。
[0041 ] 实施例1
[0042] 将定制的有机玻璃容器放置于磁力搅拌器上，将磁子置于有机玻璃容器中；加入 1 OOmL浓度为100mg/L的Cu2+溶液;用导线将电源负极与聚吡咯/壳聚糖复合电极连接，电源 正极与对电极连接，之后将两电极正对固定到有机玻璃容器中，使得电极正对面积为 3.14cm 2;接通磁力搅拌器，使磁子能够稳定快速转动；设置电源电压为1.5V，之后接通电 源，使得吸附过程开始进行。
[0043] 实验总时长为60min，每隔10min测定一次Cu2+浓度，并通过公式计算出每一时刻的 吸附量。时间T与吸附量Q的关系曲线在图2中展示。由实验测定得出吸附lh后聚吡咯/壳聚 糖复合电极的吸附量为20.61mg/g。
[0044] 实施例2
[0045] 将定制的有机玻璃容器放置于磁力搅拌器上，将磁子置于有机玻璃容器中；加入 100mL浓度为50mg/L的Cu2+溶液;用导线将电源负极与聚吡咯/壳聚糖复合电极连接，电源正 极与对电极连接，之后将两电极正对固定到有机玻璃容器中，使得电极正对面积为 3.14cm 2;接通磁力搅拌器，使磁子能够稳定快速转动；设置电源电压为1.5V，之后接通电 源，使得吸附过程开始进行。
[0046] 实验总时长为60min，每隔10min测定一次Cu2+浓度，并通过公式计算出每一时刻的 吸附量。时间T与吸附量Q的关系曲线在图2中展示。由实验测定得出吸附lh后聚吡咯/壳聚 糖复合电极的吸附量为12.38mg/g。
[0047] 实施例3
[0048] 将定制的有机玻璃容器放置于磁力搅拌器上，将磁子置于有机玻璃容器中；加入 100mL浓度为200mg/L的Cu2+溶液；用导线将电源负极与聚吡咯/壳聚糖复合电极连接，电源 正极与对电极连接，之后将两电极正对固定到有机玻璃容器中，使得电极正对面积为 3.14cm 2;接通磁力搅拌器，使磁子能够稳定快速转动；设置电源电压为1.5V，之后接通电 源，使得吸附过程开始进行。
[0049] 实验总时长为60min，每隔lOmin测定一次Cu2+浓度，并通过公式计算出每一时刻的 吸附量。时间T与吸附量Q的关系曲线在图2中展示。由实验测定得出吸附lh后聚吡咯/壳聚 糖复合电极的吸附量为39.68mg/g。
[0050] 实施例4
[0051] 将定制的有机玻璃容器放置于磁力搅拌器上，将磁子置于有机玻璃容器中；加入 1 OOmL浓度为100mg/L的Cu2+溶液;用导线将电源负极与聚吡咯/壳聚糖复合电极连接，电源 正极与对电极连接，之后将两电极正