改性纖維球濾料20mm生產廠家選擇性電容去除廢水中的重金屬離子

　　改性纖維球濾料20mm廠家選擇性電容去除廢水中的重金屬離子。采用環境友好的非對稱電容去離子(CDI)方法，在氧化還原活性二氧化鉬/碳(MoO2/C)電極上選擇性電容去除(SCR)廢水中的鉛離子。MoO2/C球作為非對稱CDI的陰極，能有效地將Pb2+的濃度從50 ppm降低到< 0.21 ppb。

　　此外，在100 ppm的Pb(NO3)2和100 ppm的氯化鈉溶液中，MoO2/C電極對鉛離子的SCR效率>99%。[MoO4]晶格的四面體結構更有利于鉛離子的嵌入。原位拉曼光譜進一步表明，在SCR過程中，[MoO6]和[MoO4]團簇晶格之間的晶界轉變可以通過電化學調控。

　　圖文解析

　　非對稱CDI陰極的多孔MoO2/C球的詳細構造路線如圖1a所示。將3~6 nm厚的MoO2納米晶片固定在多孔炭骨架上，制備了直徑為500 nm的MoO2/C球。碳化后形成的碳骨架涂層防止了MoO2納米晶的過度長大，減緩了連續電化學過程中的快速體積膨脹。

　　用N2吸附法進一步測定了MoO2/C球和AC的孔徑分布。所有材料均呈現IV型脫附曲線。AC的比表面積最大(1568 m2/g)，MoO2/C的比表面積最大(88 m2/g)。

　　然而，孔徑分布表明，與AC相比，MoO2/C球的晶體結構具有相對較大的孔徑和介孔體積，有利于電解液的傳輸。通過接觸角測試表明MoO2/C比AC具有更好的親水性;同時通過拉曼光譜對材料的石墨化程度進行了表征，MoO2/C材料的ID/IG值為2.17。

　　通過熱重(TG)分析了MoO2/C復合材料熱處理后的質量損失率約為30.02%。用X射線光電子能譜(XPS)表征存在高分辨的C1s、O1s和N1s譜，表明，多巴胺在熱解后轉化為含氮碳。而N和C的引入可以改善材料的電導率。

　　以MoO2/C微球作為非對稱陰極，考察了在1.2 V、2 h (MoO2/CⅡAC)條件下Pb(NO3)2溶液中鉛離子的去除效率。

　　實驗結果表明，在50 ppm的Pb(NO3)2溶液中，MoO2/C電極對鉛離子的去除效率高達99.99%，明顯高于相同條件下的對稱CDI去除效率(ACⅡAC)(88%)。用電感耦合等離子體光譜儀(ICP-OES)對吸附后的溶液進行了檢測，結果表明溶液中鉛的濃度小于0.21 ppb。

　　同時在10和30 ppm的Pb(NO3)2溶液中，MoO2/C電極對鉛離子的去除率接近100%，而在50、80和100 ppm的Pb(NO3)2溶液中，鉛離子的去除率甚至超過99%;同時，在100 ppm的Pb(NO3)2溶液中，電極對Pb2+的吸附量高達157.7 mg/g。

　　此外，還考察了開路電壓和不同電壓對鉛離子去除效率的影響。開路電壓下溶液中的鉛離子濃度接近的初始濃度。然而在不同的電壓下測試發現鉛離子的去除效率隨著電壓的增加而增加(圖2a)，表明鉛離子的吸附主要能夠通過電化學吸附。

　　事實上，實際廢水溶液中存在多種陽離子。為了評價該方法的實際應用價值，用該電極研究了復雜水體中鉛離子的SCR效率。用MoO2/C電極在1.2 V的不同濃度的Pb(NO3)2和NaCl混合溶液中測試了鉛離子的SCR效率。

　　如圖2b所示，鈉離子的去除效率接近40%，而在低濃度的Pb(NO3)2混合溶液中鉛離子的SCR效率可以接近100%。即使在高濃度Pb(NO3)2的混合溶液中，鉛離子的SCR效率也可以保持在99% 以上。這表明MoO2/C電極對混合物中的鉛離子具有良好的SCR效率。

　　我們進一步研究了非對稱MoO2/C電極的再生。在1.2 V，50 ppm Pb(NO3)2和100 ppm NaCl混合溶液中循環吸附2 h，通過反接2 h來測試解吸性能，然后用去離子水清洗解吸后的電極，隨后接著進行吸脫附循環實驗，并取吸附2 h后的溶液通過電感耦合等離子體發射光譜(ICP-OES)測試，結果表明該電極在50次循環后仍能保持較高的鉛離子SCR效率(圖2c)。電極優良的重復使用性能和穩定性表明，MoO2/C電極通過電容去除廢水中Pb2+是一種很好的水處理策略。

　　此外，我們還研究了在1.2 V電壓下，在不同濃度的Pb(NO3)2和CaCl2混合溶液中，MoO2/C電極對鉛離子的SCR效率。結果表明，在10 ppm的Pb(NO3)2混合溶液中，對Ca2+的去除效率小于40%，而對鉛離子的SCR效率可以接近100%。即使在濃度為50 ppm的Pb(NO3)2的混合物中，鉛離子的SCR效率也可以保持在99% 以上。這表明MoO2/C電極對混合物中的鉛離子具有良好的SCR效率。

　　此外，我們還考察了該電極在多種重金屬離子混合溶液中對鉛離子的SCR效率。結果表明，吸附后鉛離子的濃度遠低于其它重金屬離子的濃度，表明MoO2/C電極可用于各種重金屬離子混合溶液中鉛離子的SCR。

　　此外，進一步的探討了MoO2/C電極對Pb2+的去除機理。如圖3a的XRD峰所示，出現新的峰，表明MoO2在Pb2+被捕獲后逐漸轉變為白鎢礦PbMoO4的四方結構。

　　此外，從拉曼光譜中也進一步觀察到新的PbMoO4的拉曼峰。在白鎢礦結構的13個拉曼模式中：Γ=3Ag+5Bg+5Eg，拉曼光譜中存在11個PbMoO4的拉曼模式。

　　MoO2/C電極對Pb2+的捕獲導致了新的拉曼峰出現。這可以歸因于鉬通過晶界轉變從Mo4+氧化成Mo6+，形成白鎢礦結構的PbMoO4。用XPS進一步分析了Pb2+與MoO2/C之間的捕獲機理。捕獲鉛離子后，Mo4+完全轉化為Mo6+(圖3b)。

　　然而，在鉛解吸后出現了Mo4+物種，表明Mo6+被還原為Mo4+。

　　另外，在-0.8V~0.8V的電壓范圍內，在1 mV/s的循環伏安(CV)掃描速率下進行了原位拉曼測量，在-0.8V~0.8V范圍內出現了氧化還原峰，表明鉛離子的插入引起了[MoO6]簇狀晶格向[MoO4]簇狀晶格的轉變。

　　此外，在1 mV/s的50次的循環伏安掃描速率下，電極仍保持著良好的贗電容效應。同時，吸脫附后電極經過XRD測試，結果展示，在經過第10、20和50次離子吸附后的電極展示出PbMoO4結構，然而在第10、20和50次離子脫附后電極展示出MoO2晶體結構。

　　在原位拉曼測試之前，還對MoO2/C電極在不充電的溶液中進行了拉曼光譜測試。結果表明，電極仍然保持著正交MoO2的特征峰，表明MoO2/C不與鉛離子發生反應。當測試電壓從−0.8V~0.8V時，電極捕獲Pb2+后出現了幾個新的明顯峰(圖9b)，這可能與MoO2材料的晶體結構變化有關。

　　從圖中可以看出在870 cm-1、744 cm-1和768cm-1處的峰分別對應著[MoO4]團簇的對稱伸縮模式、反對稱振動模式和伸縮模式。在351 cm -1峰和318 cm -1峰是MoO4四面體的對稱和不對稱彎曲模式。這些拉曼特征峰與PbMoO4白鎢礦的結構一致，表明MoO2晶體正在向PbMoO4結構轉變。

　　同時拉曼光譜結果表明，在氧化過程中，Pb2+在庫侖力的作用下向陰極遷移，通過靜電吸附在材料表面。

　　然后，吸附的鉛離子進一步的插入到MoO2/C結構的層間位置，擾亂了原有的電子云的對稱結構，導致晶體界面由[MoO6]團簇晶格向[MoO4]團簇晶格轉變。

　　同時，每個鉬與4個氧原子配位組成[MoO4]2-四面體結構，二價的鉛與8個氧原子配位形成[PbO8]2-結構。

　　另外，NO3-離子通過EDL機制遷移到正極碳材料的表面。而在還原階段，[MoO4]團簇表面存在缺陷結構和密度變化，在接收電子時通過還原轉變為[MoO6]團簇。因此，拉曼光譜顯示出正交的[MoO6]團簇的強特征峰(圖4b)，這可以歸因于一些[MoO4]團簇向[MoO6]團簇的轉變(圖4c)。

　　總結

　　首次通過非對稱CDI方法研究了鉛離子在氧化還原活性MoO2/C陰極電極上的SCR效率，在高濃度Pb(NO3)2混合溶液中對鉛離子的去除效率>99%。此外對各種重金屬離子混合物中的鉛離子也表現出較高的SCR效率，這歸因于鉬的八面體結構向四面體結構的轉變，且[MoO6]和[MoO4]團簇晶格之間的晶界轉變可以通過電化學調控。

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