导电聚合物α-磷酸锆碳毡电极电控分离去除水中低浓度铅、镉离子

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1、太原理工大学硕士研究生学位论文导电聚合物/α-磷酸锆/碳毡电极电控分离去除水中低浓度铅、镉离子摘要开发新型的电活性材料是电控离子交换(ESIX)技术用于水处理的一个关键问题。在电活性材料的选择中，有机导电高分子与无机物的杂化材料因具有良好的导电性、稳定性、电活性及离子交换性能，在此领域获得较多的关注。α-磷酸锆作为一种无机层状材料，具有良好的离子交换性能，但电活性较差，将其与有机导电高分子杂化，不仅可以利用其离子交换性能，又可提高其导电性和氧化还原性能，使这类杂化膜能够用于ESIX过程以去除水中有害重金属离子。本实验分别合成了聚苯胺/α

2、-磷酸锆(PANI/α-ZrP)、聚吡咯/α-磷酸锆(PPy/α-ZrP)，并将其用于ESIX过程，研究了其对重金属离子的去除性能。采用直接沉淀法合成了无机层状α-磷酸锆(α-ZrP)，并在水相体系中对α-ZrP进行了剥离，在α-ZrP的剥离液中加入苯胺，采用循环伏安法(CV)在碳毡(PTCF)基体上合成PANI/α-ZrP杂化膜。采用傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)、X射线能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)研究了膜电极在还原状态(吸附过程)和氧化状态(脱附过程)时，PANI/α-ZrP杂化膜结构及组成的变化，解释了离子的吸

3、、脱附机理。PANI/α-ZrP/PTCF电极具有较好的电控离子交换性能，施加相同电压时，Cd(II)的浓度由初始的1mg·L-1减小到0.09mg·L-1，而用α-ZrP/PTCF电极处理时其浓度仅减小到0.68mg·L-1，这I太原理工大学硕士研究生学位论文表明PANI/α-ZrP/PTCF电极对溶液中的Cd(II)具有较好的去除效果，同时PTCF没有离子吸附性能，表明PANI/α-ZrP为PANI/α-ZrP/PTCF电极的活性组分。实验中考察了不同初始浓度、不同温度、不同施加电压条件下，膜电极对Cd(II)的吸附过程，并对吸附过

4、程进行吸附动力学拟合。结果表明，随着初始浓度的增加，PANI/α-ZrP/PTCF电极对Cd(II)的吸附量增加，且吸附过程能够用准二级动力学较好拟合，拟合得到的速率常数随着初始浓度的增加而减小，即初始浓度越低，膜电极对离子的吸附过程越快，吸附过程能够较快达到平衡；随着溶液温度的增加，膜电极对Cd(II)的吸附量逐渐增大，但温度较高时对离子的吸附量减少，对吸附过程不利；还原电压越大，Cd(II)的去除量越高。吸附等温实验显示膜电极对Cd(II)的最大吸附容量达到117.6mg·g-1。此外，膜电极对Cd(II)的脱附率可达98.7%。采

5、用循环伏安法(CV)在碳毡基体上制备了PPy/α-ZrP杂化膜，采用CV和电化学石英晶体微天平(EQCM)初步研究了其电化学性能和离子置入置出规律。采用FT-IR和XPS研究了其氧化还原过程结构组成的变化。PPy/α-ZrP/PTCF电极表现出对几种常见重金属离子的选择性顺序为Pb(II)>Cd(II)>Co(II)>Zn(II)>Ni(II)，表明其对Pb(II)具有较好的选择性。对比了ESIX和IX过程膜电极对Pb(II)的去除特性，ESIX过程中膜电极可以将Pb(II)的浓度由初始的10mg·L-1减小到0.9mg·L-1，而IX

6、过程仅能降低到6.6mg·L-1，ESIX的去除速率是单纯离子交换的2.7倍。吸附过程符合准二级动力学模型，ESIX过程的准二级速率常数远高于IX过程。吸附等温实验表明膜电极对Pb(II)具有较高的吸附容量，且吸附等温曲线可用II太原理工大学硕士研究生学位论文Langmuir等温模型进行拟合，拟合得到的ESIX过程亲和力常数为0.222L·mg-1，远高于IX过程(0.059L·mg-1)。关键词：电控离子交换，聚苯胺/α-磷酸锆/碳毡电极，聚吡咯/α-磷酸锆/碳毡电极，铅离子，镉离子，吸附动力学III太原理工大学硕士研究生学位论文EL

7、ECTROCHEMICALLYSWITCHEDIONEXCHANGEBASEDONELECTROACTIVEPOLYMER/α-ZrP/PTCFELECTRODEFORTHEREMOVALOFLOWCONCENTRATIONCd(II),Pb(II)FROMAQUEOUSSOLUTIONABSTRACTDevelopmentofnovelelectroactivematerialsisthekeyissueforwatertreatmentbyelectrochemicallyswitchedionexchange(ESIX)metho

8、d.Thehybridsoforganicpolymersandinorganicspossessingexcellentconductivity,highstability,goodelectroacti