一種氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾電極及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾電極及其制 備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 水體中的鉻主要來源于電鍍、涂料生產(chǎn)、紡織業(yè)、制革、木材防腐等行業(yè)。鉻主要以 六價(jià)鉻和三價(jià)鉻的形式存在，其中六價(jià)鉻具有強(qiáng)氧化性、高毒性、易迀移性和致癌性，其毒 性為三價(jià)鉻的500倍。鑒于鉻污染的危害性，美國環(huán)保局把鉻列為優(yōu)先污染物（Priority Pollutants)，并規(guī)定飲用水中總絡(luò)的濃度應(yīng)低于0. lmg/L，世界衛(wèi)生組織亦規(guī)定六價(jià)絡(luò)的 最高允許排放濃度為〇. 〇〇5mg/L，國內(nèi)飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)六價(jià)鉻的限值為0. 05mg/L。因此，如 何快速有效地將高毒性的六價(jià)鉻轉(zhuǎn)換為低毒性的三價(jià)鉻是處理六價(jià)鉻廢水的關(guān)鍵性步驟。
[0003] 目前通過該過程來處理含六價(jià)鉻廢水的方法主要包括化學(xué)還原法和電化學(xué)還原 法兩大類。其中化學(xué)還原法主要是通過投加還原性物質(zhì)，例如亞鐵、亞硫酸鹽以及硫化物 等，但是此類方法會(huì)產(chǎn)生大量的有毒污泥，容易造成其二次污染。而電化學(xué)還原法則是通過 陰極電子傳遞將六價(jià)鉻轉(zhuǎn)換為三價(jià)鉻，其無需投加還原性化學(xué)物質(zhì)，且污泥產(chǎn)生量非常小， 堪稱六價(jià)鉻處理的綠色技術(shù)。
[0004] 但是目前該技術(shù)仍存在如下諸多的不足：1)相比于高濃度的六價(jià)鉻，低濃度的六 價(jià)鉻更難被有效去除；2)電極比表面積較小，降低了電子的傳遞效率；3)六價(jià)鉻以陰離子 的形式存在，電場力使其難以靠近陰極表面得到電子。以上不足也限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng) 用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種具有高吸附性、高 還原性以及高穩(wěn)定性的氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾電極，還提供了該氨基乙酸摻雜聚苯胺修 飾電極的制備方法和應(yīng)用。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾電極，包括電 極基材，電極基材的反應(yīng)端表面修飾有聚苯胺，聚苯胺上摻雜有氨基乙酸。
[0007] 進(jìn)一步的，前述電極基材具有網(wǎng)狀或孔狀結(jié)構(gòu)。
[0008] 作為本發(fā)明的同一技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供了前述的氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾電 極的制備方法，包括以下步驟：
[0009] S1、將苯胺、聚乙烯醇、硫酸、氨基乙酸混合配制成水溶液，作為電解質(zhì)液；以電極 基材作為工作電極，鉑片作為對(duì)電極，銀/氯化銀電極作為參比電極，建立三電極體系； [0010] S2、在步驟Sl中建立的三電極體系中進(jìn)行伏安循環(huán)掃描，當(dāng)陽極峰的單位有效體 積電流密度達(dá)到飽和值時(shí)停止掃描，完成氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾電極的制備。
[0011] 本發(fā)明制備方法的步驟Sl中，電極基材優(yōu)選為網(wǎng)狀玻璃碳，電極基材的孔密度為 30~100PPI (單位英寸長度上的平均孔數(shù)）。電極基材使用前，依次采用乙醇和水進(jìn)行超 聲清洗，其中乙醇的體積分?jǐn)?shù)為80%~90%，超聲清洗溫度為20°C~50°C。
[0012] 進(jìn)一步的，前述步驟SI中，電解質(zhì)液在使用前還包括除氧氣預(yù)處理步驟：往前述 水溶液中通入流量為20mL/min~50mL/min的氮?dú)膺M(jìn)行除氧氣處理20min~40min。
[0013] 進(jìn)一步的，前述步驟SI中，電解質(zhì)液中，苯胺的濃度為5g/L~18g/L，聚乙稀醇的 濃度為〇. 5g/L~3g/L，硫酸的體積分?jǐn)?shù)為10~30%，氨基乙酸的濃度為4g/L~12g/L。
[0014] 進(jìn)一步的，前述步驟S2中，伏安循環(huán)掃描的電位為-0. 3V~1.0V，掃描速度為 20mV/s~60mV/s ;陽極峰的電位為0· IV~0· 3V ;飽和值為3000A/m3~6000A/m 3;步驟S2 的重復(fù)次數(shù)為2次~4次。伏安循環(huán)掃描過程中所采用的電位為相對(duì)于銀/氯化銀電極的 電位。
[0015] 作為本發(fā)明的同一技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種前述的氨基乙酸摻雜聚苯胺修 飾電極或前述制備方法制得的氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾電極在處理含六價(jià)鉻廢水中的應(yīng) 用。
[0016] 進(jìn)一步的，前述應(yīng)用包括以下步驟：將含六價(jià)鉻廢水加入到包括氨基乙酸摻雜聚 苯胺修飾電極和惰性電極的電解系統(tǒng)中，在氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾電極以及惰性電極上 施加方形脈沖電流進(jìn)行電化學(xué)吸附還原反應(yīng)，完成對(duì)含六價(jià)鉻廢水的處理。
[0017] 進(jìn)一步的，前述方形脈沖電流的極性切換周期為Is~300s，電流大小為0. 1~ IOA0
[0018] 進(jìn)一步的，前述含六價(jià)絡(luò)廢水pH值根據(jù)以下關(guān)聯(lián)式進(jìn)行調(diào)節(jié)：pH = -Ig [Cr (VI)/ (mol/L)]，其中Cr(VI)為廢水中六價(jià)鉻的濃度。
[0019] 本發(fā)明的應(yīng)用中，電解系統(tǒng)采用直流電源，電解系統(tǒng)中的惰性電極優(yōu)選為鈦電極。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0021] (1)本發(fā)明提供了一種氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾電極，采用摻雜有氨基乙酸的聚 苯胺修飾于電極反應(yīng)端的表面，其中氨基乙酸對(duì)六價(jià)鉻離子具有特異性化學(xué)吸附特性，能 夠?qū)⒌蜐舛鹊牧鶅r(jià)鉻吸附在電極表面，實(shí)現(xiàn)其濃縮富集；同時(shí)電極表面的聚苯胺具有優(yōu)良 的電化學(xué)還原特性，能夠?qū)崿F(xiàn)電子的快速傳遞。因此，本發(fā)明通過在電極表面修飾摻雜有氨 基乙酸的聚苯胺，使電極具有高吸附性、高還原性以及高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)含六價(jià)鉻 廢水的深度處理。
[0022] (2)本發(fā)明提供了一種氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾電極的制備方法，充分利用氨基 乙酸和聚苯胺的特點(diǎn)，采用伏安循環(huán)掃描法（CV)成功將氨基乙酸摻雜在聚苯胺上，制備了 一種氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾電極。其中電解質(zhì)液采用苯胺、聚乙烯醇、硫酸、氨基乙酸混 合配制成水溶液，其中的聚乙烯醇顯著提高了氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾電極的穩(wěn)定性；而 以電極基材作為工作電極，鉑片作為對(duì)電極，銀/氯化銀電極作為參比電極，建立三電極體 系，具有易操作調(diào)控的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明采用伏安循環(huán)掃描法使溶液中的苯胺在特定電位下實(shí) 現(xiàn)自催化聚合，其氮元素?cái)y帶正電荷，同時(shí)溶液中攜帶負(fù)電荷的氨基乙酸與攜帶正電荷氮 結(jié)合并摻雜到逐漸生長的聚合物主鏈內(nèi)，相比于其他方法具有靈活性高、易調(diào)控等優(yōu)勢(shì)，使 制備得到的電極穩(wěn)定性更高。
[0023] (3)本發(fā)明提供了一種氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾電極在處理含六價(jià)鉻廢水中的應(yīng) 用，由于六價(jià)鉻離子帶負(fù)電荷，在傳統(tǒng)直流電場的作用下，導(dǎo)致其難以作為陰極的修飾電極 表面聚集，反而向陽極表面聚集，這一特點(diǎn)已成為電化學(xué)還原技術(shù)去除六價(jià)鉻的限制性步 驟。而本發(fā)明采用一種具有高吸附性、高還原性以及高穩(wěn)定性的氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾 電極，同時(shí)通過極性切換的方法，實(shí)現(xiàn)其對(duì)含六價(jià)鉻廢水的深度處理。本發(fā)明通過摻雜氨基 乙酸實(shí)現(xiàn)了電極對(duì)六價(jià)鉻離子的高效吸附特性，將低濃度的六價(jià)鉻吸附在電極表面，使其 濃縮富集；同時(shí)利用電極表面的聚苯胺實(shí)現(xiàn)電子的快速傳遞。此外，借助方形脈沖電流，實(shí) 現(xiàn)電場方向的切換，使得六價(jià)鉻離子能夠在電場力的作用下向修飾電極表面迀移，進(jìn)一步 強(qiáng)化其在修飾電極表面聚集，從而實(shí)現(xiàn)含六價(jià)鉻廢水的深度處理。本發(fā)明充分利用方形脈 沖電流的特點(diǎn)，不斷切換修飾電極的極性。當(dāng)修飾電極為陽極時(shí)，六價(jià)鉻離子向其表面聚 集，并被修飾電極的氨基乙酸吸附；然后修飾電極切換為陰極時(shí)，在聚苯胺的作用下，六價(jià) 鉻離子在修飾電極表面快速得到電子，實(shí)現(xiàn)其高效還原去除。本發(fā)明所采用的電化學(xué)還原 方式是一種處理含六價(jià)鉻廢水的綠色技術(shù)，其以電子直接作為還原劑，具有清潔無害，環(huán)境 友好等特點(diǎn)；同時(shí)由于其無需投加其他額外的還原劑，大大減少了污泥的產(chǎn)生量。
【附圖說明】
[0024] 為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例 中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。
[0025] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾電極的制備方法流程圖。
[0026] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中制備氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾電極的伏安循環(huán)掃描圖。
[0027] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中制備的氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾電極的電鏡圖。
[0028] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中制備的氨基乙酸摻雜聚苯胺修飾電極的的能譜圖。
[0029] 圖5為本發(fā)明實(shí)