改性纤维球滤料20mm生产厂家选择性电容去除废水中的重金属离子

　　改性纤维球滤料20mm生产厂家选择性电容去除废水中的重金属离子

　　改性纤维球滤料20mm厂家选择性电容去除废水中的重金属离子。采用环境友好的非对称电容去离子(CDI)方法，在氧化还原活性二氧化钼/碳(MoO2/C)电极上选择性电容去除(SCR)废水中的铅离子。MoO2/C球作为非对称CDI的阴极，能有效地将Pb2+的浓度从50 ppm降低到< 0.21 ppb。

　　此外，在100 ppm的Pb(NO3)2和100 ppm的氯化钠溶液中，MoO2/C电极对铅离子的SCR效率>99%。[MoO4]晶格的四面体结构更有利于铅离子的嵌入。原位拉曼光谱进一步表明，在SCR过程中，[MoO6]和[MoO4]团簇晶格之间的晶界转变可以通过电化学调控。

　　图文解析

　　非对称CDI阴极的多孔MoO2/C球的详细构造路线如图1a所示。将3~6 nm厚的MoO2纳米晶片固定在多孔炭骨架上，制备了直径为500 nm的MoO2/C球。碳化后形成的碳骨架涂层防止了MoO2纳米晶的过度长大，减缓了连续电化学过程中的快速体积膨胀。

　　用N2吸附法进一步测定了MoO2/C球和AC的孔径分布。所有材料均呈现IV型脱附曲线。AC的比表面积最大(1568 m2/g)，MoO2/C的比表面积最大(88 m2/g)。

　　然而，孔径分布表明，与AC相比，MoO2/C球的晶体结构具有相对较大的孔径和介孔体积，有利于电解液的传输。通过接触角测试表明MoO2/C比AC具有更好的亲水性;同时通过拉曼光谱对材料的石墨化程度进行了表征，MoO2/C材料的ID/IG值为2.17。

　　通过热重(TG)分析了MoO2/C复合材料热处理后的质量损失率约为30.02%。用X射线光电子能谱(XPS)表征存在高分辨的C1s、O1s和N1s谱，表明，多巴胺在热解后转化为含氮碳。而N和C的引入可以改善材料的电导率。

　　以MoO2/C微球作为非对称阴极，考察了在1.2 V、2 h (MoO2/CⅡAC)条件下Pb(NO3)2溶液中铅离子的去除效率。

　　实验结果表明，在50 ppm的Pb(NO3)2溶液中，MoO2/C电极对铅离子的去除效率高达99.99%，明显高于相同条件下的对称CDI去除效率(ACⅡAC)(88%)。用电感耦合等离子体光谱仪(ICP-OES)对吸附后的溶液进行了检测，结果表明溶液中铅的浓度小于0.21 ppb。

　　同时在10和30 ppm的Pb(NO3)2溶液中，MoO2/C电极对铅离子的去除率接近100%，而在50、80和100 ppm的Pb(NO3)2溶液中，铅离子的去除率甚至超过99%;同时，在100 ppm的Pb(NO3)2溶液中，电极对Pb2+的吸附量高达157.7 mg/g。

　　此外，还考察了开路电压和不同电压对铅离子去除效率的影响。开路电压下溶液中的铅离子浓度接近的初始浓度。然而在不同的电压下测试发现铅离子的去除效率随着电压的增加而增加(图2a)，表明铅离子的吸附主要能够通过电化学吸附。

　　事实上，实际废水溶液中存在多种阳离子。为了评价该方法的实际应用价值，用该电极研究了复杂水体中铅离子的SCR效率。用MoO2/C电极在1.2 V的不同浓度的Pb(NO3)2和NaCl混合溶液中测试了铅离子的SCR效率。

　　如图2b所示，钠离子的去除效率接近40%，而在低浓度的Pb(NO3)2混合溶液中铅离子的SCR效率可以接近100%。即使在高浓度Pb(NO3)2的混合溶液中，铅离子的SCR效率也可以保持在99% 以上。这表明MoO2/C电极对混合物中的铅离子具有良好的SCR效率。

　　我们进一步研究了非对称MoO2/C电极的再生。在1.2 V，50 ppm Pb(NO3)2和100 ppm NaCl混合溶液中循环吸附2 h，通过反接2 h来测试解吸性能，然后用去离子水清洗解吸后的电极，随后接着进行吸脱附循环实验，并取吸附2 h后的溶液通过电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)测试，结果表明该电极在50次循环后仍能保持较高的铅离子SCR效率(图2c)。电极优良的重复使用性能和稳定性表明，MoO2/C电极通过电容去除废水中Pb2+是一种很好的水处理策略。

　　此外，我们还研究了在1.2 V电压下，在不同浓度的Pb(NO3)2和CaCl2混合溶液中，MoO2/C电极对铅离子的SCR效率。结果表明，在10 ppm的Pb(NO3)2混合溶液中，对Ca2+的去除效率小于40%，而对铅离子的SCR效率可以接近100%。即使在浓度为50 ppm的Pb(NO3)2的混合物中，铅离子的SCR效率也可以保持在99% 以上。这表明MoO2/C电极对混合物中的铅离子具有良好的SCR效率。

　　此外，我们还考察了该电极在多种重金属离子混合溶液中对铅离子的SCR效率。结果表明，吸附后铅离子的浓度远低于其它重金属离子的浓度，表明MoO2/C电极可用于各种重金属离子混合溶液中铅离子的SCR。

　　此外，进一步的探讨了MoO2/C电极对Pb2+的去除机理。如图3a的XRD峰所示，出现新的峰，表明MoO2在Pb2+被捕获后逐渐转变为白钨矿PbMoO4的四方结构。

　　此外，从拉曼光谱中也进一步观察到新的PbMoO4的拉曼峰。在白钨矿结构的13个拉曼模式中：Γ=3Ag+5Bg+5Eg，拉曼光谱中存在11个PbMoO4的拉曼模式。

　　MoO2/C电极对Pb2+的捕获导致了新的拉曼峰出现。这可以归因于钼通过晶界转变从Mo4+氧化成Mo6+，形成白钨矿结构的PbMoO4。用XPS进一步分析了Pb2+与MoO2/C之间的捕获机理。捕获铅离子后，Mo4+完全转化为Mo6+(图3b)。

　　然而，在铅解吸后出现了Mo4+物种，表明Mo6+被还原为Mo4+。

　　另外，在-0.8V~0.8V的电压范围内，在1 mV/s的循环伏安(CV)扫描速率下进行了原位拉曼测量，在-0.8V~0.8V范围内出现了氧化还原峰，表明铅离子的插入引起了[MoO6]簇状晶格向[MoO4]簇状晶格的转变。

　　此外，在1 mV/s的50次的循环伏安扫描速率下，电极仍保持着良好的赝电容效应。同时，吸脱附后电极经过XRD测试，结果展示，在经过第10、20和50次离子吸附后的电极展示出PbMoO4结构，然而在第10、20和50次离子脱附后电极展示出MoO2晶体结构。

　　在原位拉曼测试之前，还对MoO2/C电极在不充电的溶液中进行了拉曼光谱测试。结果表明，电极仍然保持着正交MoO2的特征峰，表明MoO2/C不与铅离子发生反应。当测试电压从−0.8V~0.8V时，电极捕获Pb2+后出现了几个新的明显峰(图9b)，这可能与MoO2材料的晶体结构变化有关。

　　从图中可以看出在870 cm-1、744 cm-1和768cm-1处的峰分别对应着[MoO4]团簇的对称伸缩模式、反对称振动模式和伸缩模式。在351 cm -1峰和318 cm -1峰是MoO4四面体的对称和不对称弯曲模式。这些拉曼特征峰与PbMoO4白钨矿的结构一致，表明MoO2晶体正在向PbMoO4结构转变。

　　同时拉曼光谱结果表明，在氧化过程中，Pb2+在库仑力的作用下向阴极迁移，通过静电吸附在材料表面。

　　然后，吸附的铅离子进一步的插入到MoO2/C结构的层间位置，扰乱了原有的电子云的对称结构，导致晶体界面由[MoO6]团簇晶格向[MoO4]团簇晶格转变。

　　同时，每个钼与4个氧原子配位组成[MoO4]2-四面体结构，二价的铅与8个氧原子配位形成[PbO8]2-结构。

　　另外，NO3-离子通过EDL机制迁移到正极碳材料的表面。而在还原阶段，[MoO4]团簇表面存在缺陷结构和密度变化，在接收电子时通过还原转变为[MoO6]团簇。因此，拉曼光谱显示出正交的[MoO6]团簇的强特征峰(图4b)，这可以归因于一些[MoO4]团簇向[MoO6]团簇的转变(图4c)。

　　总结

　　首次通过非对称CDI方法研究了铅离子在氧化还原活性MoO2/C阴极电极上的SCR效率，在高浓度Pb(NO3)2混合溶液中对铅离子的去除效率>99%。此外对各种重金属离子混合物中的铅离子也表现出较高的SCR效率，这归因于钼的八面体结构向四面体结构的转变，且[MoO6]和[MoO4]团簇晶格之间的晶界转变可以通过电化学调控。

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