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        用載鈦改性活性炭纖維電極電吸附水中Cr(Ⅵ)

        2021-06-02 12:55:42李秀玲黃金萍石新彪
        濕法冶金 2021年3期
        關(guān)鍵詞:極板活性炭電位

        李秀玲,黃金萍,石新彪,辛 磊

        (河池學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院,廣西 宜州 546300)

        鉻在水中的主要存在形式為Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ),其中Cr(Ⅵ)的危害遠高于Cr(Ⅲ),對公眾健康和生態(tài)系統(tǒng)有嚴重威脅[1-2]。長期以來,在工業(yè)廢水處理中,鉻的去除一直是較為重要的課題。

        Cr(Ⅵ)的去除方法目前有電解法[3]、離子交換法[4]、吸附法[5]、反滲透法[6]和還原沉淀法[7]等,但這些方法都存在不同程度的局限性,如操作要求高、費用昂貴、易造成二次污染等。電吸附是以電位差為驅(qū)動力,促使離子被吸附到帶電電極表面,具有低能耗、不添加化學(xué)試劑、環(huán)境友好等顯著特點[8],是一種相對高效和低成本的水處理方法,對金屬離子、無機鹽及其部分有機物去除效果明顯,在污水處理中得到廣泛應(yīng)用[9-13]。電吸附技術(shù)中,電極極其重要[14],目前普遍采用活性炭[15]、石墨[16]、炭氣凝膠[17]、活性炭纖維(ACF)[18]作電極。ACF是近年來興起的高效吸附材料,與其他材料相比,其比表面積更大,孔隙更加發(fā)達,導(dǎo)電性良好,對污染物的吸附效果更好,對污水的處理能力更強,且對低濃度物質(zhì)有更強的去除效果[19-21],在水處理領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。試驗研究了用TiO2對ACF電極進行加載改性,并考察負載TiO2前、后ACF的表面特征及對Cr(Ⅵ)吸附性能,以期為含重金屬離子廢水的電吸附處理提供技術(shù)參考。

        1 試驗部分

        1.1 試驗試劑與儀器

        活性炭纖維,購自保定市百維環(huán)保科技有限公司;銅片,購自廣西宜州某五金店;DY-50導(dǎo)電膠,購自南京喜力特膠粘劑有限公司;二苯碳酰二肼、鈦酸四丁酯、高錳酸鉀、丙酮、硫酸、磷酸、乙酸,均為分析純,重鉻酸鉀為優(yōu)級純,均購自西隴化工股份有限公司。

        傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR),NICOLET6700型,美國賽默飛世爾公司;紫外-可見分光光度計,UV-5100型,上海元析儀器有限公司;電熱鼓風干燥箱,DZF-6050型,上海齊欣科學(xué)儀器有限公司;馬弗爐,SX3-3-10型,上??德穬x器設(shè)備有限公司;X射線衍射光譜儀,MINIFLEX60型,深圳市萊雷科技發(fā)展有限公司;掃描電子顯微鏡,上海復(fù)納科學(xué)儀器有限公司;磁力加熱攪拌器,HJ-4A型,江蘇金怡儀器科技有限公司。

        1.2 TiO2/ACF電極的制備

        對活性炭纖維進行預(yù)處理:先剪裁成 10 cm×10 cm塊狀,用去離子水浸泡數(shù)小時,再用大量去離子水沖洗,最后放入烘箱于105 ℃下烘干,取出放于干燥器中備用。活性炭纖維負載TiO2的具體方法參考文獻[22],制得TiO2/ACF改性材料,用導(dǎo)電膠與銅片相連,制得TiO2/ACF電極。

        1.3 樣品表征

        采用SEM觀測TiO2/ACF電極表面微觀結(jié)構(gòu),用FT-IR測定樣品表面官能團,用XRD表征TiO2/ACF的晶型結(jié)構(gòu)。

        1.4 Cr(Ⅵ)模擬廢水的配制

        準確稱取2.829 g在105 ℃下干燥2 h并冷卻后的重鉻酸鉀,溶解后移至1 000 mL容量瓶中并定容,制得Cr(Ⅵ)標準儲備液,其中,Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度為1 000 mg/L。

        1.5 電吸附分析

        設(shè)定試驗條件,將模擬廢水加入到電解槽中,在磁力加熱攪拌器上保持一定攪拌速度進行電吸附。通電開始后第1次取樣,此后每隔10 min取一次樣,測定其吸光度;相鄰水樣吸光度基本不變時,結(jié)束電吸附。根據(jù)標準曲線方程計算電吸附之后Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度[23]及Cr(Ⅵ)吸附率。

        (1)

        式中:E—Cr(Ⅵ)吸附率,%;ρ0—模擬廢水中Cr(Ⅵ) 初始質(zhì)量濃度,mg/L;ρe—電吸附平衡后Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度,mg/L。

        2 試驗結(jié)果與討論

        2.1 活性炭纖維的SEM表征

        圖1為活性炭纖維加載TiO2改性前、后及吸附Cr(Ⅵ)之后的SEM照片??梢钥闯觯何醇虞dTiO2的活性炭纖維表面相對較光滑,呈束狀結(jié)構(gòu);加載TiO2后表面出現(xiàn)一定量顆粒狀物質(zhì);吸附Cr(Ⅵ)后的載鈦活性炭纖維表面出現(xiàn)更多顆粒狀物質(zhì)??梢姡钚蕴坷w維改性前、后及吸附Cr(Ⅵ)后其表面形貌發(fā)生了一定變化。

        a—ACF;b—TiO2/ACF;c—吸附Cr(Ⅵ)的TiO2/ACF。圖1 活性炭纖維樣品的SEM照片

        2.2 活性炭纖維的FT-IR表征

        圖2為活性炭纖維改性前、后及改性并吸附Cr(Ⅵ)后的FT-IR圖譜??梢钥闯觯呼然?—COOH) 的伸縮振動在944.96 cm-1處出現(xiàn)強寬峰;羥基(—OH)的伸縮振動引起2 777.04 cm-1處出現(xiàn)吸收峰;改性后(曲線b)變化不大,表明炭骨架結(jié)構(gòu)基本未變,僅在表面分散負載鈦,電極導(dǎo)電性提高,有利于Cr(Ⅵ)向陽極遷移,電吸附過程加強;吸附Cr(Ⅵ)后(曲線c)在2 777.04 cm-1處的特征峰強度有所減弱,這是TiO2/ACF電極表面官能團經(jīng)吸附后數(shù)量減少所致。

        a—ACF;b—TiO2/ACF;c—吸附Cr(Ⅵ)的TiO2/ACF。圖2 活性炭纖維的紅外光譜

        2.3 活性炭纖維的XRD表征

        活性炭纖維的XRD圖譜如圖3所示。可以看出:加鈦改性后的活性炭纖維在25.4°處有一個特征衍射峰,表明有銳鈦礦晶型存在;在54.9°處有較弱衍射峰,表明有金紅石晶體存在。載入的鈦可提高電極的吸附能力,有利于吸附廢水中的Cr(Ⅵ),主要原因是其表面有豐富的羥基基團[24],鈦原子的極性隨所加電場而改變,從而增加電極的吸附極點[20]。

        a—ACF;b—TiO2/ACF。圖3 活性炭纖維的XRD分析圖譜

        2.4 活性炭纖維對模擬廢水中Cr(Ⅵ)的電吸附

        2.4.1 廢水pH對Cr(Ⅵ)吸附率的影響

        模擬廢水Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度20 mg/L,極板間距9 mm,極板面積100 cm2,電極電位1.2 V,其他條件不變,模擬廢水pH對Cr(Ⅵ)吸附率的影響試驗結(jié)果如圖4所示。

        圖4 廢水pH對Cr(Ⅵ)吸附率的影響

        電吸附過程中,Cr(Ⅵ)濃度降低除了受物理靜電引力作用吸附外,也包括化學(xué)吸附;還原作用將Cr(Ⅵ)還原成Cr(Ⅲ),也會降低Cr(Ⅵ)濃度[25]。反應(yīng)如下:

        隨pH升高,廢水中的Cr(Ⅵ)濃度提高,還原作用減弱,Cr(Ⅵ)還原成Cr(Ⅲ)能力下降,Cr(Ⅵ)吸附率相應(yīng)降低。

        廢水pH主要影響化學(xué)吸附,因為大量羥基(—OH)、羧基(—COOH)等官能團分布在TiO2/ACF電極表面,在酸性條件下與水中的Cr(Ⅵ)發(fā)生離子交換而將Cr(Ⅵ)吸附,反應(yīng)如下:

        廢水酸性逐漸變?nèi)鯐r,其中的離子交換吸附作用和還原作用都有所減弱,Cr(Ⅵ)去除率有所下降。

        2.4.2 模擬廢水中Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度對Cr(Ⅵ)吸附率的影響

        電極電位1.2 V,極板間距9 mm,廢水pH=2.5,極板面積100 cm2,Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度對Cr(Ⅵ)吸附率的影響試驗結(jié)果如圖5所示。

        圖5 廢水初始Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度對Cr(Ⅵ)吸附率的影響

        由圖5看出:吸附達平衡時,Cr(Ⅵ)吸附率隨廢水中Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度升高而逐漸下降;Cr(Ⅵ)初始質(zhì)量濃度為10 mg/L時,吸附較完全,吸附率接近100%;Cr(Ⅵ)初始質(zhì)量濃度為20 mg/L時,吸附平衡后廢水中Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度高于排放限值0.5 mg/L。隨廢水中Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度升高,與TiO2/ACF電極表面帶電點發(fā)生接觸的Cr(Ⅵ)增多,根據(jù)雙電層理論,電極雙電層電荷量增加到一定限值后不再發(fā)生明顯變化,電吸附優(yōu)勢逐步減弱[26],吸附率下降。

        2.4.3 電極電位對Cr(Ⅵ)吸附率的影響

        模擬廢水Cr(Ⅵ)初始質(zhì)量濃度20 mg/L,廢水pH=2.5,極板面積100 cm2,極板間距9 mm,電極電位對Cr(Ⅵ)吸附率的影響試驗結(jié)果如圖6所示。

        圖6 電極電位對Cr(Ⅵ)吸附率的影響

        由圖6看出:電極電位為0.6 V時,Cr(Ⅵ)吸附率最高;電極電位高于0.6 V后,Cr(Ⅵ)吸附率有所下降。電極電位在0~0.6 V范圍內(nèi),電場強度會隨電位增大而增大,極板上的雙電層變厚,溶液中的離子定向遷移能力增強,在靜電引力作用下自由電子形成的電流密度增大,電吸引作用增強,溶液中更多的Cr(Ⅵ)被吸引到電極雙電層附近,被吸附或還原成Cr(Ⅲ);但電位高于0.6 V后,溶液中的水分子會發(fā)生電解反應(yīng),分解出的物質(zhì)會對電極的吸附造成不利影響,且增大能耗。

        2.4.4 極板間距對Cr(Ⅵ)吸附率的影響

        Cr(Ⅵ)初始質(zhì)量濃度20 mg/L,廢水pH=2.5,電極電位1.2 V,極板面積100 cm2,極板間距對Cr(Ⅵ)吸附率的影響試驗結(jié)果如圖7所示。

        圖7 極板間距對Cr(Ⅵ)吸附率的影響

        由圖7看出:在吸附前中期,極板間距在9~12 mm范圍內(nèi),Cr(Ⅵ)吸附率明顯提高;吸附90 min后,極板間距為9 mm和12 mm時,Cr(Ⅵ)吸附去除效果較好,其中極板間距以9 mm條件下吸附效果最好;隨極板間距從9 mm縮小至3 mm,Cr(Ⅵ)吸附率下降。極板間距過小,水流循環(huán)受阻,電解質(zhì)離子靜電作用減弱,且易短路;隨極板間距從9 mm增大到15 mm,Cr(Ⅵ)吸附率也有所下降,因為極板間距過大,電場強度減弱,正負離子遷移能力下降。

        2.4.5 極板面積對Cr(Ⅵ)吸附率的影響

        廢水Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度20 mg/L,極板間距9 mm,廢水pH=2.5,電極電位1.2 V,極板面積對Cr(Ⅵ)吸附率的影響試驗結(jié)果如圖8所示??梢钥闯觯瑯O板面積以100 cm2條件下吸附效果最佳。

        圖8 極板面積對Cr(Ⅵ)吸附率的影響

        2.5 正交試驗

        極板間距9 mm,極板面積100 cm2,選擇廢水pH、Cr(Ⅵ)初始質(zhì)量濃度、電極電位3個對吸附有較大影響的因素,在3個水平下進行正交試驗,因素及結(jié)果見表1。

        表1 正交試驗因素及結(jié)果

        由表1看出,用載鈦活性炭纖維吸附去除Cr(Ⅵ)的最佳條件為模擬廢水Cr(Ⅵ)初始質(zhì)量濃度10 mg/L,pH=2.0,電極電位0.6 V,極板面積100 cm2,極板間距9 mm。此條件下,Cr(Ⅵ)吸附率接近100%。

        2.6 對照試驗

        為驗證TiO2/ACF電極在電增強條件下對廢水中Cr(Ⅵ)的吸附去除效果,在通電(0.6 V)和不通電、上述最優(yōu)條件下進行試驗,結(jié)果如圖9所示。

        圖9 通電與開路條件對載鈦活性炭纖維電極吸附去除Cr(Ⅵ)的影響

        由圖9看出:在電增強作用下,經(jīng)過60 min吸附,Cr(Ⅵ)吸附率為98.41%,處理后的廢水可達標(GB 8978—1996)排放;而開路條件下,Cr(Ⅵ)吸附率為93.16%,處理后的廢水中Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度為2.05 mg/L,未能達標。

        2.7 吸附等溫線

        采用Langmuir和Freundlich等溫吸附模型研究平衡吸附量與廢水平衡Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度之間的關(guān)系及吸附行為。擬合曲線如圖10、11所示??梢钥闯觯篖angmuir等溫吸附模型的相關(guān)系數(shù)為0.986 0,F(xiàn)reundlich等溫吸附模型的相關(guān)系數(shù)為0.859 7,表明吸附過程更符合Langmuir等溫吸附模型,屬于單分子層吸附。

        圖10 Langmuir等溫吸附擬合曲線

        圖11 Freundlich等溫吸附擬合曲線

        2.8 吸附動力學(xué)

        載鈦活性炭纖維對Cr(Ⅵ)的電吸附過程的準一級、準二級動力學(xué)方程擬合曲線如圖12、13所示,擬合參數(shù)見表2。

        圖12 準一級動力學(xué)擬合曲線

        圖13 準二級動力學(xué)擬合曲線

        表2 準一級和準二級動力學(xué)方程的擬合參數(shù)

        由表2看出,TiO2/ACF電極對Cr(Ⅵ)的電吸附過程較為符合準二級動力學(xué)方程。表明吸附過程以化學(xué)吸附為主[27]。

        2.9 TiO2/ACF電極的再生

        在最佳條件下對Cr(Ⅵ)進行首次吸附,然后在相同條件下用電極反接,用去離子水替代模擬廢水進行電脫附,脫附后再次進行吸附。對同一電極進行3次循環(huán)試驗,考察TiO2/ACF電極的再生性能,試驗結(jié)果如圖14所示。

        圖14 TiO2/ACF電極再生循環(huán)試驗結(jié)果

        由圖14看出:經(jīng)過3次循環(huán),TiO2/ACF電極對Cr(Ⅵ)初始質(zhì)量濃度為20 mg/L的廢水的吸附量為18.51 mg/g,吸附率為90.26%,表明TiO2/ACF可重復(fù)利用,且再生方法簡單。

        3 結(jié)論

        活性炭纖維(ACF)載鈦后可制備成TiO2/ACF電極并可用于從廢水中吸附去除Cr(Ⅵ),適宜條件下吸附90 min后,Cr(Ⅵ)去除率接近100%。

        TiO2/ACF對Cr(Ⅵ)的電吸附過程更符合Langmuir模型,屬于單分子層吸附,吸附反應(yīng)較符合準二級動力學(xué)方程,表明吸附過程以化學(xué)吸附為主。

        吸附了Cr(Ⅵ)的TiO2/ACF電極在酸性條件下進行脫附再生,經(jīng)過3次吸附—脫附循環(huán),對Cr(Ⅵ)的吸附率仍保持在90%以上。

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