盧 春，王 華

（海安恒發(fā)污水處理有限公司，江蘇 南通 226600）

隨著電化學(xué)理論和吸附分離技術(shù)的不斷提高，目前將兩者進(jìn)行交叉的電吸附理論和技術(shù)越來越顯示出其活力[1]。國內(nèi)外已經(jīng)開始將電吸附技術(shù)用于水處理方面的研究，并且取得了很好的成果[2]。Al2O3/C雜化碳?xì)鈿饽z是一種新興的結(jié)構(gòu)可控制的納米多孔碳材料，并且具有豐富的空洞、較大的比表面積以及良好的高導(dǎo)電率和機(jī)械性能，是非常理想的水相中電極除鹽的電吸附材料。本文主要通過一系列的平行試驗(yàn)來研究Al2O3/C雜化碳?xì)鈿饽z的除氟效果。

1 電極的制備

考慮到（Al5.31-RF15-PO/Al6）Al2O3/C雜化碳?xì)饽z比表面積大以及含鋁量高，本研究以其為研究對象，稱取樣品0.8 g，炭黑0.2 g，倒入研缽中并且加入一定量的黏結(jié)劑（PTFE：0.15 g和SBR：0.1 g），然后將粉末研磨到塊體（研磨到摸上去手上不沾黑色），在燒杯中剪碎，然后稱取樣品50 mg，用壓片機(jī)制成圓片，放到蒸發(fā)皿中烘干恒重，將圓片通過石墨乳粘到石墨電極上制成正極；制作負(fù)極的方法和正極的方向相似，樣品和炭黑各1 g，PTFE：0.15 g，SBR：0.1 g。

2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

為了消除化學(xué)吸附的影響，本研究將制備好的電極片用NaF溶液浸泡24 h，此時(shí)溶液濃度不再發(fā)生變化。正極和負(fù)極之間用一層隔膜紙進(jìn)行隔開，將配置的一定濃度的含氟溶液作為研究對象，將電極放入溶液中，兩邊接通電源進(jìn)行試驗(yàn)。在平行試驗(yàn)的過程中保持吸附溶液的溫度和攪拌狀態(tài)，每隔一段時(shí)間對燒杯中氟離子的濃度進(jìn)行監(jiān)測，待吸附完畢后，關(guān)閉電源短接，等一段時(shí)間對水溶液的濃度進(jìn)行監(jiān)測，以觀察水中氟離子的濃度變化情況。本試驗(yàn)主要研究了pH、初始濃度、電壓對電吸附的影響，并分析了電吸附動(dòng)力學(xué)原理，最后對電吸附脫附部分進(jìn)行研究。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同電壓去氟離子的比較

吸附溶液的初始濃度為10 mg/L，pH=6，調(diào)節(jié)電壓進(jìn)行吸附試驗(yàn)。在進(jìn)水濃度相同的情況下，采用靜態(tài)吸附后的Al2O3/C雜化碳?xì)饽z制備成的電極來觀察隨著外加壓的不同出水氟離子的變化濃度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電壓高于2 V時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣泡，說明此情況下水已經(jīng)被電解成氧氣和氫氣，導(dǎo)致電吸附被破壞，所以電壓達(dá)到2 V后就不在本研究的考慮范圍之內(nèi)。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電壓為0.2 V、0.4 V、0.6 V、1.0 V、1.4 V、1.6 V、1.8 V時(shí)，最大吸附容量為0.55 mg/g、1.06 mg/g、2.31 mg/g、3.53 mg/g、4.16 mg/g、5.47 mg/g、6.67 mg/g，其中吸附平衡時(shí)間在16 h時(shí)基本能吸附完全。正極采用的材料是Al2O3/C雜化碳?xì)饽z，而Al2O3/C雜化碳?xì)饽z表面帶吸附正電荷，從而使得電極的零電荷電位不為0。當(dāng)電壓小于零電荷電位時(shí)，電極表面吸附有正電荷，使得雙電層沒法形成雙電層，所以吸附量比較低。當(dāng)電壓增大時(shí)吸附量逐步增大，進(jìn)水在電壓升為1.8 V時(shí)已經(jīng)達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，其吸附容量為5.66 mg/g，所以在后續(xù)的試驗(yàn)過程中選擇1.8 V。

3.2 pH值對電吸附除氟效果的影響

對于未負(fù)載電荷的Al2O3/C雜化氣凝膠的電極，其在pH=6時(shí)達(dá)到峰值，在pH=3～6時(shí)吸附容量逐步升高，達(dá)到pH=6后逐漸下降。試驗(yàn)表明，在不同的pH值下，負(fù)載電荷的Al2O3/C雜化碳?xì)饽z的吸附量要高于未負(fù)載電荷的吸附量，但是電吸附在pH=4以及pH=6時(shí)出現(xiàn)2次峰值，達(dá)到第二次峰值后，其隨著pH的升高而下降。由此可見，未負(fù)載電荷的Al2O3/C雜化碳?xì)饽z電極適應(yīng)的pH范圍要比未負(fù)載電極的Al2O3/C雜化碳?xì)饽z的適應(yīng)范圍廣，同時(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Al2O3/C雜化碳?xì)饽z在pH=6時(shí)的靜態(tài)吸附容量為17.68 mg/L；將Al2O3/C雜化碳?xì)饽z進(jìn)行靜態(tài)吸附完全后，然后進(jìn)行電吸附的容量為21.79 mg/g，其吸附量大于將Al2O3/C雜化碳?xì)饽z進(jìn)行靜態(tài)吸附-電吸附的總量。原因可能是在制作電極圓片時(shí)，黏結(jié)劑的加入，導(dǎo)致Al2O3/C雜化碳?xì)饽谋缺砻娣e減小，和一些羥基進(jìn)行置換，使得片狀的Al2O3/C雜化碳?xì)饽z吸附能力要比粉末狀的Al2O3/C雜化碳?xì)饽z吸附能力低。

3.3 不同初始濃度對去除效果的影響

本試驗(yàn)研究含氟溶液分別為10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L、50 mg/L時(shí)的電吸附效果，設(shè)置試驗(yàn)的電壓為1.8 V，pH=6。Al2O3/C雜化碳?xì)饽z電極用靜態(tài)吸附完全的碳?xì)饽z作為正電極，通過加電觀察氟溶液的濃度，然后得到吸附動(dòng)力學(xué)曲線。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電吸附去除氟離子的效果跟溶液的初始濃度有很大的關(guān)系，初始濃度越高，Al2O3/C雜化碳?xì)饽z電極在平衡時(shí)電吸附量越大。在氟濃度為50 mg/L時(shí)，Al2O3/C雜化碳?xì)饽z電極的平衡吸附容量較大。從本試驗(yàn)可以得出，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，當(dāng)進(jìn)水濃度過高時(shí)，可以將多個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行串聯(lián)，從而提升除氟效率。

3.4 吸附動(dòng)力學(xué)特征

在不同電壓下，，對于初始濃度為10 mg/L的NaF溶液，人們可以根據(jù)偽動(dòng)力學(xué)一級方程ln(qe-qt)=lnqe-k1t及偽動(dòng)力學(xué)二級方程分別擬合Al2O3/C雜化碳?xì)饽z對其的電吸附效果。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同電壓下，Al2O3/C雜化碳?xì)饽z電吸附的過程用偽一級和偽二級動(dòng)力學(xué)方程擬合都比較好，所以其吸附過程可以用兩種方程描述[3]。

3.5 脫附氟離子的研究

當(dāng)pH=6，溶液濃度分別為10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L、50 mg/L時(shí)，進(jìn)行電吸附試驗(yàn)，吸附18 h后，其都已經(jīng)吸附完全，然后加反應(yīng)器的電負(fù)極進(jìn)行短接，讓電極進(jìn)行脫附再生，每隔1 h測量一次氟離子的濃度，當(dāng)溶液濃度等于或者高于初始濃度時(shí)認(rèn)為脫附完全。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入再生脫附階段時(shí)，將正負(fù)極進(jìn)行短接，測量兩電極之間還有電壓值，因?yàn)锳l2O3/C雜化碳?xì)饽z和石墨電極形成了電容。再生時(shí)氟離子再生，該現(xiàn)象也驗(yàn)證了水中的氟離子受電吸附作用而被儲(chǔ)存在電極的雙電層中，而不是因?yàn)殡娊饣蚱渌瘜W(xué)作用使得氟離子得到去除。脫附發(fā)現(xiàn)，溶液中氟離子的溶度會(huì)高于原水氟離子的濃度，說明電吸附不僅能夠脫附電吸附在Al2O3/C雜化碳?xì)饽z上的氟離子，還能脫附靜態(tài)吸附在Al2O3/C雜化碳?xì)饽z表面的氟離子。

4 結(jié)論

本文通過對靜態(tài)吸附完全的Al2O3/C雜化碳?xì)饽z制成的電極片進(jìn)行電吸附試驗(yàn)，研究Al2O3/C雜化碳?xì)饽z電吸附法對水中氟離子去除的可行性，并分析了相關(guān)因素對去除效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，電壓越大，Al2O3/C雜化碳?xì)饽z制成電極片和石墨電極片產(chǎn)生的電場就越大，其產(chǎn)生的雙電層吸附能力也就越強(qiáng)，因此吸附氟離子的能力越強(qiáng)；Al2O3/C雜化碳?xì)饽z電吸附氟離子時(shí)出現(xiàn)2次峰值，在pH=4和pH=6時(shí)都出現(xiàn)了極大值，當(dāng)pH呈堿性時(shí)，吸附氟離子的效率減少；當(dāng)溶液中氟離子的濃度較低時(shí)，吸附效率較高，當(dāng)溶液中氟離子濃度很高時(shí)，建議串聯(lián)反應(yīng)器以提升除氟效率；偽動(dòng)力學(xué)一級方程和偽動(dòng)力學(xué)二級方程都很好地描述Al2O3/C雜化碳?xì)饽z電極對氟離子的吸附。

脫附氟離子的試驗(yàn)表明，經(jīng)過3 h兩極的短接，吸附在Al2O3/C雜化碳?xì)饽z電極的氟離子基本被脫附，其能夠脫附靜態(tài)吸附在電極上的氟離子，使得溶液中氟離子的濃度高于原水水樣中氟離子的溶度。