水体亚硝酸盐去除技术
随着工业化生产的发展,亚硝酸盐在工农业中被广泛应用,其对水环境的污染也日渐加剧,受污染的水体以直接或间接的方式危害人们的健康。传统的去除水中亚硝酸盐的方法有氧化法、还原法、膜分离法、离子交换和生化处理等。这些方法存在处理工艺复杂,处理效果不理想、存在二次污染等问题。
电容去离子技术(capacitive deionization,CDI)是基于电容器的双电层理论,即在通电条件下利用带电的电极与溶液界面形成的双电层,将溶液中的离子存储于电极表面,并在吸附饱和后通过电极反接或断电短接操作实现电极再生。电容去离子技术与其他传统去离子技术(如电渗析、反渗透和蒸馏法等)相比,具有耗能低、不会产生环境污染等优点。该方法是一种清洁、环境友好型的水处理技术,在废水处理、海水淡化、工业用水软化和高纯水制备等方面有广阔的应用前景。随着水环境污染的加剧,以及人们对环境友好型水处理技术的需求,从电化学法衍生而来的电吸附技术以其良好的适用性和经济性开始受到关注。
在电容去离子技术早期,ARNOLD 等在研究石墨电极对Na + 和Cl - 的吸附效果时,发现由于石墨比表面积较低,除盐效果不够理想;陈富民等的研究表明,石墨用作电极材料时存在杂质多和电阻大等缺点。相比之下,选用适合的电极集流体,将活性炭用作电极材料时可以展现其高比表面积、大吸附容量的特性。在马丽萍等和马丹丹等的研究中表明,与传统的活性炭电极相比,由于泡沫镍具有三维网状结构,孔隙率高,比表面积大,电阻较小,活性物质容易填充到其内部空间,将其作为活性炭电极的集流体,具有承载电极活性物质和汇集电流的双重功能。电容去离子技术中,碳基电极材料对不同离子往往具有吸附选择性。
林小辉研究表明,不同种类的离子在碳基电极表面的吸附具有特异性,李智等发现NO3 - 在碳基电极表面具有选择性吸附的特征。利用NO3 - 和NO2 - 可以在一定条件下相互转化的性质,探讨电吸附装置对NO3 - 和NO2 - 的电吸附特异性,以较经济的能耗达到对NO2 - 的最佳去除效果,而针对该内容的研究甚少。
本研究以泡沫镍为集流体,采用涂覆法将活性炭作为活性物质制作电极,组成电吸附装置,研究电吸附装置去除NO2 - 的最佳运行工况,并在相同条件下对比装置对NO3 - 的去除效果;同时,在最佳工况下,以不同浓度下的NO2 - 和NO3 - 为去除对象,研究浓度对装置去除NO2 - 和NO3 - 的去除效果和电流效率的影响,从节约能耗和提高装置去除效果的角度出发,提出装置去除NO2 - 的最佳方案。
1 实验部分
1. 1 实验仪器与试剂
仪器: 磁力搅拌器(78-1 型,金坛市新航仪器厂) ;电子天平(AL104,梅特勒-多利多仪器上海有限公司);恒温干燥箱(101-1 型,上海东星建材实验设备有限公司);真空干燥箱(DZF-6050 型,上海科辰实验设备有限公司) ;抽滤机(500 mL 型,郑州市中原区兴华玻璃仪器厂);直流稳压电源(美尔诺M8872 型,深圳市艾力电子科技有限公司) ;蠕动泵(153Y,重庆杰恒蠕动泵厂);扫描电子显微镜(Hitachi S-3 400N) ;BET 比表面积分析仪(Quadrasorb SI 系列,美国康塔公司);电导率测定仪(HACH,sens ION 5) ;精密酸度计(PHS-3C,上海精密仪器
仪表有限公司) ;超纯水机(Ther-mo Scientific Barnstead EasypureⅡ) ;涂膜器(QTG-A 型,天津润通精试科技发展有限公司);紫外可见光分光光度计(HACH,DR6000)。
材料和试剂:301 型粉末活性炭(湖南德班活性炭有限公司) ;聚偏氟乙烯(PVDF) (阿科玛化学有限公司);导电炭黑(湖南德班活性炭有限公司);泡沫镍(深圳市飞信过滤器材有限公司) ;硝酸钠、亚硝酸钠、盐酸(分析纯,重庆川东化工有限公司)。
1. 2 实验装置与流程
电吸附装置主要由电容去离子模块、电导率仪、蠕动泵和直流稳压电源构成(见图1)。电容去离子模块内共布置9 对泡沫镍/ 活性炭电极,正负极板间距1. 0 mm,极板间9 条过水通道串联布置,原水以折线流方式流经电极表面,并在蠕动泵作用下在装置内循环流动。
1. 3 实验方法
电吸附装置制作与搭建: 将粉末活性炭经200目过筛,置于超纯水中反复煮沸后抽滤清洗,直至出水电导率降至10 μs·cm - 1 以下;将清洗洁净的活性炭置于120 ℃恒温干燥箱中烘干待用。将活性炭、导电炭黑和聚偏氟乙烯(PVDF) 按质量比8 ∶ 1 ∶ 1 混合,然后加入适量的N-甲基吡咯烷酮,利用磁力搅拌器搅拌8 h 使其混合均匀;将泡沫镍裁剪成设计尺寸(8. 5 cm × 10 cm),浸于丙酮中超声15 min,再用0. 1 mol·L - 1 的盐酸浸泡15 min,随后用去离子水反复冲洗至中性,置于60 ℃真空干燥箱中烘干待用。利用涂膜器将电极浆液涂覆于泡沫镍集流体上,涂覆厚度400 μm,涂覆面积7 cm × 9. 8 cm,置于60 ℃真空干燥箱中烘干,再置于无水乙醇中浸泡2 h,用超纯水洗净后再次烘干,以有机玻璃为骨架控制极板间距制作电吸附模块。
电吸附实验与参数计算: 单一组分盐溶液中,温度恒定时,盐溶液浓度与电导率的变化在一定浓度范围内具有对应关系,溶液的电导率随着溶液浓度的增大而增大。在水温(18 ±0. 5)℃下分别配置300 ~2 100 mg·L - 1 的NaNO3 和NaNO2 溶液,获得电导率标准曲线;混合溶液中,NO2 -和NO3 - 的浓度按一定比例稀释后,用紫外可见光分光光度计按国标法测
定。用直流稳压电源提供工作电压并记录实时电流,利用蠕动泵调节装置流量,在相同时间间隔内记录出水电导率值直至实验结束。装置离子去除率(η)与电流效率(f)的计算如下:
离子去除率
电流效率
式中:C0 、C 为溶液初始浓度和平衡浓度,g·L - 1 ;V 为处理溶液体积,L;F 为法拉第常数,为96 485 C·mol - 1 ;m 为摩尔质量,g·mol - 1 ;I 为流经电极的电流,A。
2 结果与讨论
2. 1 电极材料特性
利用BET 比表面积分析仪对活性炭进行比表面积和孔径分析,通过氮气等温吸脱附曲线测得活性炭比表面积为1 228. 148 cm3 ·g - 1 ,表明该活性炭具有较大的比表面积,用作电极材料时可以提供较大的吸附表面。如图2(a)所示,活性炭吸脱附等温线属于Ⅱ型和Ⅳ型等温线的结合,在中高压区吸脱附曲线发生分离,说明活性炭具有介孔结构,并结合孔径分布曲线(见图2(b)),活性炭孔径集中分布在10 nm 以下,以中微孔为主。
