Al2O3/C雜化碳氣凝膠電吸附去除氟離子的影響研究

盧 春，王 華

（海安恒發(fā)污水處理有限公司，江蘇 南通 226600）

隨著電化學理論和吸附分離技術的不斷提高，目前將兩者進行交叉的電吸附理論和技術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雜化碳氣氣凝膠是一種新興的結構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電率和機械性能，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來研究Al2O3/C雜化碳氣氣凝膠的除氟效果。

1 電極的制備

考慮到（Al5.31-RF15-PO/Al6）Al2O3/C雜化碳氣凝膠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 試驗裝置及試驗方案

為了消除化學吸附的影響，本研究將制備好的電極片用NaF溶液浸泡24 h，此時溶液濃度不再發(fā)生變化。正極和負極之間用一層隔膜紙進行隔開，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，兩邊接通電源進行試驗。在平行試驗的過程中保持吸附溶液的溫度和攪拌狀態(tài)，每隔一段時間對燒杯中氟離子的濃度進行監(jiān)測，待吸附完畢后，關閉電源短接，等一段時間對水溶液的濃度進行監(jiān)測，以觀察水中氟離子的濃度變化情況。本試驗主要研究了pH、初始濃度、電壓對電吸附的影響，并分析了電吸附動力學原理，最后對電吸附脫附部分進行研究。

3 結果與討論

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)電壓進行吸附試驗。在進水濃度相同的情況下，采用靜態(tài)吸附后的Al2O3/C雜化碳氣凝膠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。試驗發(fā)現(xiàn)，電壓高于2 V時會產(chǎn)生氣泡，說明此情況下水已經(jīng)被電解成氧氣和氫氣，導致電吸附被破壞，所以電壓達到2 V后就不在本研究的考慮范圍之內(nèi)。

試驗發(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，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，其中吸附平衡時間在16 h時基本能吸附完全。正極采用的材料是Al2O3/C雜化碳氣凝膠，而Al2O3/C雜化碳氣凝膠表面帶吸附正電荷，從而使得電極的零電荷電位不為0。當電壓小于零電荷電位時，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。當電壓增大時吸附量逐步增大，進水在電壓升為1.8 V時已經(jīng)達到飲用水標準，其吸附容量為5.66 mg/g，所以在后續(xù)的試驗過程中選擇1.8 V。

3.2 pH值對電吸附除氟效果的影響

對于未負載電荷的Al2O3/C雜化氣凝膠的電極，其在pH=6時達到峰值，在pH=3～6時吸附容量逐步升高，達到pH=6后逐漸下降。試驗表明，在不同的pH值下，負載電荷的Al2O3/C雜化碳氣凝膠的吸附量要高于未負載電荷的吸附量，但是電吸附在pH=4以及pH=6時出現(xiàn)2次峰值，達到第二次峰值后，其隨著pH的升高而下降。由此可見，未負載電荷的Al2O3/C雜化碳氣凝膠電極適應的pH范圍要比未負載電極的Al2O3/C雜化碳氣凝膠的適應范圍廣，同時試驗發(fā)現(xiàn)Al2O3/C雜化碳氣凝膠在pH=6時的靜態(tài)吸附容量為17.68 mg/L；將Al2O3/C雜化碳氣凝膠進行靜態(tài)吸附完全后，然后進行電吸附的容量為21.79 mg/g，其吸附量大于將Al2O3/C雜化碳氣凝膠進行靜態(tài)吸附-電吸附的總量。原因可能是在制作電極圓片時，黏結劑的加入，導致Al2O3/C雜化碳氣凝的比表面積減小，和一些羥基進行置換，使得片狀的Al2O3/C雜化碳氣凝膠吸附能力要比粉末狀的Al2O3/C雜化碳氣凝膠吸附能力低。

3.3 不同初始濃度對去除效果的影響

本試驗研究含氟溶液分別為10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L、50 mg/L時的電吸附效果，設置試驗的電壓為1.8 V，pH=6。Al2O3/C雜化碳氣凝膠電極用靜態(tài)吸附完全的碳氣凝膠作為正電極，通過加電觀察氟溶液的濃度，然后得到吸附動力學曲線。試驗發(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系，初始濃度越高，Al2O3/C雜化碳氣凝膠電極在平衡時電吸附量越大。在氟濃度為50 mg/L時，Al2O3/C雜化碳氣凝膠電極的平衡吸附容量較大。從本試驗可以得出，在實際工業(yè)應用中，當進水濃度過高時，可以將多個反應器進行串聯(lián)，從而提升除氟效率。

3.4 吸附動力學特征

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)偽動力學一級方程ln(qe-qt)=lnqe-k1t及偽動力學二級方程分別擬合Al2O3/C雜化碳氣凝膠對其的電吸附效果。試驗發(fā)現(xiàn)，在不同電壓下，Al2O3/C雜化碳氣凝膠電吸附的過程用偽一級和偽二級動力學方程擬合都比較好，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，進行電吸附試驗，吸附18 h后，其都已經(jīng)吸附完全，然后加反應器的電負極進行短接，讓電極進行脫附再生，每隔1 h測量一次氟離子的濃度，當溶液濃度等于或者高于初始濃度時認為脫附完全。試驗發(fā)現(xiàn)，當系統(tǒng)進入再生脫附階段時，將正負極進行短接，測量兩電極之間還有電壓值，因為Al2O3/C雜化碳氣凝膠和石墨電極形成了電容。再生時氟離子再生，該現(xiàn)象也驗證了水中的氟離子受電吸附作用而被儲存在電極的雙電層中，而不是因為電解或其他化學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雜化碳氣凝膠上的氟離子，還能脫附靜態(tài)吸附在Al2O3/C雜化碳氣凝膠表面的氟離子。

4 結論

本文通過對靜態(tài)吸附完全的Al2O3/C雜化碳氣凝膠制成的電極片進行電吸附試驗，研究Al2O3/C雜化碳氣凝膠電吸附法對水中氟離子去除的可行性，并分析了相關因素對去除效果的影響。試驗結果表明，電壓越大，Al2O3/C雜化碳氣凝膠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，因此吸附氟離子的能力越強；Al2O3/C雜化碳氣凝膠電吸附氟離子時出現(xiàn)2次峰值，在pH=4和pH=6時都出現(xiàn)了極大值，當pH呈堿性時，吸附氟離子的效率減少；當溶液中氟離子的濃度較低時，吸附效率較高，當溶液中氟離子濃度很高時，建議串聯(lián)反應器以提升除氟效率；偽動力學一級方程和偽動力學二級方程都很好地描述Al2O3/C雜化碳氣凝膠電極對氟離子的吸附。

脫附氟離子的試驗表明，經(jīng)過3 h兩極的短接，吸附在Al2O3/C雜化碳氣凝膠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。