餐余豬骨制多孔炭凈化含鉻廢水及其在鋰離子電池中的應(yīng)用

引言

鉻是一種儲(chǔ)量豐富、用途廣泛的金屬元素，廣泛用于金屬加工、電鍍、制革等工業(yè)領(lǐng)域。鉻在現(xiàn)代生活中有著不可取代的作用，但也帶來了不容忽視的環(huán)境問題，因此含鉻廢水的減排和凈化已經(jīng)受到大家的廣泛關(guān)注。

鉻的毒性與其價(jià)態(tài)有關(guān)：金屬鉻沒有毒性，而化合物中三價(jià)鉻（Cr³⁺）和六價(jià)鉻（Cr⁶⁺）對(duì)水生生物都有致死作用，其中，Cr³⁺可被底泥吸附轉(zhuǎn)入固相，而Cr⁶⁺則多溶于水，在水體中較為穩(wěn)定，并具有更強(qiáng)的可移動(dòng)性和氧化性，因此其毒性較Cr³⁺高很多。目前，造成Cr⁶⁺水體污染的來源主要包括鍍鉻、化學(xué)制造和蒸發(fā)冷卻塔。此外，煤和石油的燃燒也會(huì)產(chǎn)生鉻（1700噸/每年），其中只有約2‰為Cr³⁺，其余大部分為Cr⁶⁺，因此對(duì)Cr⁶⁺的凈化是目前含鉻廢水處理的主要任務(wù)。

目前，常用的含鉻廢水處理方法主要有化學(xué)沉淀法、電解法、離子交換法、活性炭吸附法、電沉積法、反滲透法等物理化學(xué)方法，其中活性炭吸附法是處理含六價(jià)鉻廢水的重要方法之一。以天然植物和天然礦物質(zhì)為原料，如果殼、果核、木材和瀝青等，制備不同品級(jí)的活性炭已實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。生活中餐余豬骨很多被廢棄，但將其變廢為寶，制備多孔炭的報(bào)道并不多見。餐余豬骨具有獨(dú)特的精細(xì)結(jié)構(gòu)，可以將其中的有機(jī)物作為碳源，無機(jī)物作為天然模板，用于制備多孔炭。吸附了六價(jià)鉻離子的多孔炭如何處理，能否被再利用？受多孔炭和三氧化二鉻復(fù)合物制備高性能鋰離子電池負(fù)極材料的報(bào)道啟發(fā)，能否將吸附了鉻離子的多孔炭用于制備鋰電池的負(fù)極材料？如果這一設(shè)想可行，那么多孔炭凈化含鉻廢水后的產(chǎn)物就可以得到充分利用，使活性炭凈化含鉻廢水工藝更加綠色環(huán)保。本課題的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

具體設(shè)計(jì)思路有以下幾個(gè)方面：①利用餐余廢棄的豬骨為原料，將其中的有機(jī)成分作為碳源，無機(jī)納米鈣鹽作為模板，制備含有納米孔的多孔炭吸附劑。②利用多孔炭處理含鉻的廢水，不但可使工業(yè)含鉻廢水得到凈化，同時(shí)還可將已經(jīng)吸附了有害物質(zhì)的多孔炭復(fù)合物用于制作鋰離子電池的負(fù)極材料。③將這種復(fù)合物作為高性能鋰離子電池負(fù)極材料，有望為我國環(huán)保型電動(dòng)汽車提供高效能源。

實(shí)驗(yàn)部分

多孔炭制備

將餐余廢棄豬骨洗凈、粉碎烘干，再在氮?dú)獗Ｗo(hù)下450℃煅燒1小時(shí)，冷卻至室溫，最終得到黑色粉末產(chǎn)物，待用。取一定量的氫氧化鉀與制得的黑色粉末研磨均勻混合（質(zhì)量比為1：1）并在一定溫度下氮?dú)獗Ｗo(hù)處理1小時(shí)，隨后冷卻至室溫，用硝酸水溶液脫除活化劑和骨中的無機(jī)物，再用去離子水洗至中性，烘干，即得到產(chǎn)物多孔炭。

多孔炭吸附凈化含鉻廢水及其復(fù)合物的制備

分別取一定濃度含Cr⁶⁺模擬廢水置于瓶中，調(diào)節(jié)不同的pH值，加入一定量多孔炭，在一定溫度下振蕩一段時(shí)間后，取上層清液，測(cè)定鉻含量，再將過濾后得到的固體粉末烘干待用。

自制多孔炭對(duì)實(shí)際含鉻廢水的凈化測(cè)試：取一定量河北某電鍍廠含鉻廢水，加入一定量的多孔炭，測(cè)定其對(duì)實(shí)際廢水的凈化處理效果。

半電池的組裝及電化學(xué)性能的測(cè)定

電極極片的制備

將吸附鉻離子的多孔炭、乙炔黑、明膠溶液按質(zhì)量比8：1：1混合，研磨制漿，用刮刀涂布于集流體銅箔上得到電極極片。將極片置于真空干燥箱中干燥12h，裁成直徑為12mm的圓電極片待用。

鋰離子半電池的組裝

本實(shí)驗(yàn)將制得的電極片組裝成半電池，然后進(jìn)行性能測(cè)試。

鋰離子電池性能測(cè)試

采用兩電極體系，測(cè)試溫度為室溫，測(cè)試電壓范圍為0.005～3V，充放電過程恒電流均用50mA/g。

結(jié)果與討論

多孔炭制備過程分析

從圖2可以看出，餐余廢骨經(jīng)粉碎、煅燒、氫氧化鉀活化等處理，最后用稀硝酸洗滌后得到黑色多孔炭粉末。為觀察多孔炭的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了SEM的測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，制備的多孔炭含有豐富的孔洞，且呈現(xiàn)分級(jí)孔結(jié)構(gòu)。大部分在100nm以下，且在其孔壁上有很多更加微小的孔洞（圖3內(nèi)嵌圖），這與本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果一致，證明用餐余廢骨制備多孔炭具有可行性。為了進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)制得的多孔炭的孔結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行了BET測(cè)試，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本實(shí)驗(yàn)制得的多孔炭含有豐富的微小納米孔，孔徑大小在4nm左右，且其比表面積高達(dá)1624m²/g，這有利于獲得優(yōu)異的吸附性能。

多孔炭對(duì)鉻離子的吸附性能

用濃度分別為100mg/L和300mg/L含鉻模擬溶液，加入一定量的自制多孔炭觀察其對(duì)六價(jià)鉻離子的吸附能力，結(jié)果如圖4所示。可以看出，原始含鉻溶液呈亮黃色，吸附24小時(shí)后，濃度為100mg/L的含鉻廢水幾乎變?yōu)闊o色，濃度300 mg/L的廢水顏色也明顯變淺；吸附48小時(shí)后，濃度為300mg/L的含鉻廢水也變?yōu)闊o色，說明此時(shí)鉻離子已基本被多孔炭完全吸附。

為了分析含鉻模擬廢水濃度對(duì)吸附效果的影響，在27℃溫度下，將自制的活性炭加入到不同濃度的含鉻廢水中，控制加入量為1.0g/L，測(cè)定吸附24小時(shí)后的吸附效果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著模擬廢水中鉻濃度的增加，多孔炭對(duì)六價(jià)鉻的吸附量逐漸增大，但當(dāng)濃度增大到500mg/L時(shí)，吸附基本達(dá)到飽和，繼續(xù)增大濃度，多孔炭的吸附量并無明顯增大。

選取含鉻模擬廢水的初始濃度為100mg/L，多孔炭的加入量為1.0g/L，在27℃下，研究吸附時(shí)間對(duì)鉻吸附量的影響。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著時(shí)間的延長，活性炭對(duì)鉻的吸附量逐漸增大。在前一個(gè)小時(shí)內(nèi)的吸附量增幅最大，說明此時(shí)吸附速度較快，當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到10小時(shí)吸附基本達(dá)到平衡。

為考察多孔炭對(duì)實(shí)際工業(yè)廢水的凈化效果，課題選擇了河北某電鍍廠的含鉻工業(yè)廢水作為處理對(duì)象，通過檢測(cè)獲知其六價(jià)鉻離子濃度為604.8 mg/L，隨后分析比較自制多孔炭與市售多孔炭對(duì)其凈化處理效果，從結(jié)果可以看出，餐余豬骨制備的多孔炭對(duì)電鍍廢水的凈化效果明顯好于市售Norit多孔炭，證明了其具有潛在的應(yīng)用前景。

電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果分析

初步電化學(xué)性能研究表明，吸附鉻的多孔炭作為鋰離子電池的負(fù)極材料具有較好的穩(wěn)定性。已有的全部實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將餐余廢棄豬骨用于含鉻廢水的凈化取得較為理想的結(jié)果，同時(shí)吸附鉻離子后的多孔炭有望用于鋰離子電池的制造，這為多孔炭吸附劑的開發(fā)與再利用開拓了新的方向。

結(jié)論

通過研究得出了以下結(jié)論：用餐余豬骨可以制備出高吸附性能的多孔炭，其對(duì)含有六價(jià)鉻的廢水吸附性能高于目前市售活性炭，同時(shí)對(duì)實(shí)際電鍍工業(yè)含鉻廢水亦表現(xiàn)出優(yōu)異的凈化效果，有望成為一種性能優(yōu)異的含鉻污水凈化劑。將吸附了鉻的多孔炭作為鋰離子電池負(fù)極材料的初步研究證明了其可行性，電池得到了較高的比容量，這不但使多孔炭吸附劑得到了有效的再利用，同時(shí)也有望為制造鋰離子電池負(fù)極找到新材料。

進(jìn)一步研究的設(shè)想

由于研究時(shí)間有限，還有很多工作需要完善，我進(jìn)一步的研究設(shè)想如下。

完善餐余骨制備多孔炭的工藝，優(yōu)化制備條件。調(diào)節(jié)煅燒溫度、時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)多孔炭吸附性能的影響；考察不同餐余廢骨（豬骨、雞骨、魚骨等）對(duì)制備多孔炭結(jié)構(gòu)的影響，努力使餐余廢骨變廢為寶，資源得到充分利用的同時(shí)，解決餐余廢骨對(duì)環(huán)境的污染問題。

深入研究多孔炭對(duì)含鉻廢水的吸附工藝，探討吸附了鉻的多孔炭作為鋰電池負(fù)極的電化學(xué)性能及其吸附鉻量等的關(guān)系。通過研究為鋰電池開發(fā)性能優(yōu)異的材料，希望能為我國電動(dòng)汽車提供高比能電池。讓我們周圍的環(huán)境更環(huán)保，生活更美好。

進(jìn)一步研究自制多孔炭對(duì)不同實(shí)際含鉻工業(yè)廢水的吸附研究，并探討其對(duì)鋰離子電池性能的影響，為該材料的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

該項(xiàng)目獲得第29屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組化學(xué)一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語

以餐余豬骨為原料制備具有納米孔結(jié)構(gòu)的多孔炭，并將其用于含鉻廢水的凈化，在此基礎(chǔ)上提出將多孔炭用于鋰離子電池負(fù)極材料的制備。該項(xiàng)目為含鉻廢水的凈化提出了新的途徑，也為鋰離子電池負(fù)極的制備提出了新的方法。建議對(duì)納米材料的控制條件進(jìn)一步深入研究，進(jìn)一步探索制備負(fù)極材料的工藝。