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1、目 录摘 要00 引 言01 综 述11.1活性炭纤维（ACF）介绍及其在污水处理方面的应用11.2 活性炭纤维再生51.3 电化学法处理废水现状61.4印染行业废水及其再利用（回用）概况71.5 本实验研究内容及意义82 实验部分92.1材料、设备与试剂92.2实验步骤及方法102.3实验原理113 实验表征及结果分析133.1吸附特性133.2不同吸附条件下的再生153.3不同再生次数下的再生173.4不同电解质浓度下的再生183.5不同再生时间下的再生214结论和实验中存在的问题及展望24总结与体会25谢辞26参考文献27摘 要本次研究采用电化学催化氧化法，阳极钛基二氧化铅，阴极泡沫镍，
2、电解质氯化钠溶液，对吸附后的活性炭纤维（ACF）进行再生。通过改变吸附条件和再生的条件（再生时间、电解质浓度），研究ACF再生特性。利用再生前后活性炭纤维对染料水中酸性红18吸附性能的对比判定其再生情况得出以下结论：吸附率越高，再生率越高；恒压18V，两极间距7cm，再生时间1h，电解质氯化钠浓度为1.5g/l最好，其相对再生率为87.53%；恒压18V，两极间距7cm，用3g/l氯化钠溶液作电解质时，再生时间为1.5h最佳，其相对再生率为91.61%。关键词：活性炭纤维；电化学再生；吸附AbstractThe study takes electrochemical catalytic oxi
3、dation to regenerate adsorbed ACF, which uses titanium dioxide lead as anode, nickel foam as cathode, sodium chloride solution as electrolyte. It studies the regenerative properties of ACF by changing the conditions and regeneration conditions such as time and electrolyte concentration. We compare t
4、he adsorption performance of ACF, before and after, to get the following conclusions: the higher the adsorption rate, the higher the regeneration rate; constant 18V, poles spaced 7cm, regeneration time 1h, NaCl 1.5g/l is the best concentration of electrolyte, with a relative regeneration rate 87.53%
5、; constant 18V, poles spaced 7cm, 3g/l sodium chloride solution as electrolyte, 1.5h is the best regeneration time, with a relative regeneration rate 91.61%.Keywords: Activated carbonfiber;Electrochemicalregeneration;Adsorption0 引 言随着污水处理技术的不断发展，人们对生活用水的水质有了越来越高的要求。水体中的微量有机物或消毒副产物的前体物危害着人们的健康，而简单的处理
6、技术并不能有效地将其去除，于是污水的深度处理被提上了日程。活性炭纤维（ACF）是70年代末出现的新型吸附材料，由于其良好的吸附性能、较大的吸附面积、良好的再生性能等特点，在水处理方面有着良好的应用前景。活性炭纤维的再生利用有助于降低生产成本，合理利用资源。活性炭纤维在环保方面有广泛的应用，尤其是在水处理方面。在饮用水净化中被用于自来水厂和小型家用净水器；工业用水中被用于循环冷却用水及锅炉用水的防垢、防腐处理；在废水处理中常备用于水中无机离子、有机分子或离子的去除。但若将吸附饱和的活性炭纤维直接丢弃既会造成资源浪费又会有二次污染。所以，活性炭纤维的再生有其必要性。目前，活性炭纤维的再生法主要有加
7、热再生法，电热再生法，药剂再生法，电化学再生法、生物氧化法以及光催化氧化法，但这些方法都有其局限性。电化学再生法是污染少、再生率高的中较为成熟的方法。本研究是以实现 “连续吸附+连续电化学再生”而开展，以期寻找一种更好的深度处理方法。研究分为二个子项，即：微污染水的ACF吸附，吸附后ACF的电化学再生。而本文主要研究吸附后ACF的电化学再生。1 综 述1.1活性炭纤维（ACF）介绍及其在污水处理方面的应用1.1.1ACF及其性能1.1.1.1ACF种类1我国生产的活性碳纤维主要是无纺布和少量活性炭纤维布，目前对ACF没有明确的分类标准，下面是2000年我国活性炭纤维的研究、工业化及前景1中的划
8、分：（1）从制作的原料来分：粘胶基活性碳纤维、聚丙烯腈(腈纶)基活性碳纤维、沥青基活性碳纤维、酚醛基活性碳纤维、剑麻基活性碳纤维等。（2）从产品的外形分：活性碳纤维毡(针刺无纺布和熔喷复合无纺布等)、活性碳纤维布(梭织物和编织物)、活性碳纤维丝束、活性碳纤维纸、活性碳纤维块等。（3）从产品的厚薄、轻重等来分：厚度5mm以上，或重2509/m2以上的为厚重型；厚度15mm，或重1002509/m2之间，为适中型；厚度1mm以下，或重100/m2以下，为轻薄型。（4）从产品的表面孔径来分：借鉴IUPAC(国际纯化学和应用化学协会)对孔径的分类，将活性碳纤维分为：常规的微孔型，孔径0.82nm；中孔
9、型，孔径250nm；大孔型，孔径50nm；极微孔型，孔径0.8nm。在成孔的过程中，各种大小孔径的孔会同时出现，只是各种孔径的比例不同。如何划分，并没有严格的方法。市场上常见的是微孔型活性碳纤维，孔径基本上呈单分散型，集中在12nm，中孔率(中孔体积与总孔体积之比)一般1500 m2/g；中比表面积型，SBET= 8001500 m2/g；低比表面积型，SBET 800 m2/g。（6）从产品的纯度分：低纯度普通工业用的，中高纯度食品和卫生防护用的，及高纯度滤血用的活性碳纤维。1.1.1.2ACF应用范围1ACF有许多文献综述了活性碳纤维的用途。国内活性碳纤维的应用研究主要集中在溶剂回收和环保
10、方面，从香烟滤嘴、卫生用品到空气、水的净化，研究极为活跃。（1）香烟滤嘴胡兆基等研究了把活性碳纤维用于香烟滤嘴，能将香烟中尼古丁的吸滤率从25%45%提高到73%86%。李建文等制作的烟嘴对尼古丁、焦油、总颗粒物的去除率达到67%83%，同时还保留了传统烤烟型香味。（2）有机气体回收处理活性碳纤维用于有机溶剂回收的技术和工艺在我国已经比较成熟。刘汉杰介绍了用活性碳纤维回收大型化工厂有机尾气的技术。该技术具有能耗低、速度快、全自动、占地小的特点，回收率可达98%以上。欧海峰等设计了一种活性碳纤维催化燃烧装置，能够高效地处理大风量、低浓度的有机废气，实现了系统的自动控制和连续运行。（3）催化剂载体
11、陆耘等以活性碳纤维负载铜一钴复合催化剂，将锅炉及汽车尾气中的N0x催化还原为N：，转化率可达94%，且温度适应范围广，催化剂寿命长。符若文等也研究了活性碳纤维负载Pd及其与Cu的合金对N0和CO的催化转化作用。（4）饮用水净化/废水处理石玉明等设计的臭氧生物活性碳纤维处理有机微污染工艺，是最高效的饮用水深度净化工艺。陈水狭等制备了用于净水器的抗菌载银活性碳纤维。载银量和比表面积越大，灭菌能力越强。朱征研究了载银和碘活性碳纤维的灭菌性能、形貌结构和吸附性能。李永贵等列举了活性碳纤维处理印染废水的工艺方法，认为很适用于印染污水的深度处理。（5）贵/重金属的富集分离中山大学的曾汉民等首先提出了活性碳
12、纤维的氧化还原理论，发现活性碳纤维能将一些电极电位较高的离子还原。利用这一特性，可将活性碳纤维用于贵金属提取和分离。岳中仁等制备的含ZnO活性碳纤维对Ag+有很好的吸附还原能力，有利于银的回收。林雍静等建立了用活性碳纤维填充柱在线富集分离和检测天然环境水中痕量金属的方法。（6）室内及环境空气净化活性碳纤维用于空气净化正受到越来越多的重视。张金萍等设计的活性碳纤维过滤器可以有效地除去室内空气中的二氧化硫、氮氧化合物等有害气体。张秀珍等研究和展望了活性碳纤维在净化空气环境方面的应用。（7）医疗卫生用品活性碳纤维可用于血液净化装置、绷带和敷料、床垫等。尤其用活性碳纤维制作防尘防臭防毒口罩，国内已申请
13、有十几项专利。有的专利还在口罩中加入中药，制成具有芳香提神、除臭灭菌功能的口罩。（8）制冷工质材料过去冰箱和空调中常用的制冷剂氟利昂在今天受到越来越严格的限制，使固体吸附式制冷机的开发受到极大的重视。用活性碳纤维代替活性炭，与甲醇与乙醇组成工质对，能将制冷系统的制冷系数提高15%；制冷量提高12倍；吸附解吸时间缩短为1/10，循环周期大大缩短。制成的吸附式制冷机或转轮制冷机，是利用太阳能、工业余热等低品位热源的有效工具。1.1.1.3ACF主要特性2其主要特性如表1-1所示：表1-1 ACF主要性能表孔径比表面积结构性能吸附过程狭窄而均匀，多数在0.5-1.5nm之间多数在800-1500m2
14、/g之间，适当活化可达3000m2/g以上微孔占体积的90%。主要成分为C，另含微量O/H/N/S与之构成的官能团外部扩散+吸附反应。外部扩散指吸附剂周围存在一层固定的溶剂液膜，吸附质首先通过这层薄膜才能到达吸附剂的外表面，所以液膜扩散速度影响着吸附速度。吸附反应阶段指吸附质被吸附在细孔表面上。1.1.2ACF在水处理方面的应用2ACF较传统活性炭吸附速度快、容量大、再生容易，且含碳量高，是良好的吸附材料，非常适于在水处理中使用。采用处理原水或废水，不仅可满足处理的要求，还可大大减小处理装置的体积，提高了处理效率。因而在水处理中有较广泛的应用。（1）饮用水的净化随着现代化工农业的不断发展和居民
15、生活水平的提高，造成水的污染愈来愈严重，使得优质用水的保障成为至关重要而又有一定难度的问题。作为具，尤其是对低浓度污染物的良好吸附性能，ACF在水质净化中的作用日益突现出来。ACF的微孔孔径具有可调节性，可以针对不同的有机微污染物，选择性的设计出具有不同吸附性能的ACF，从而能够去除水源中的各种污染物质。在自来水厂，为除去水中细菌等，需在水中加入有效氯，但氯可与水中有机物反应生成有毒氯系化合物。另外水中还可能存有霉臭、藻臭、铁锈及具有放射性的碘、氢、氮等。ACF对水质混浊有明显的澄清作用，可以除去水中的异臭、异味；对氰、氯、氟、酚等有机化合物去除率达90%以上，对细菌有极好的过滤效果，如大肠杆
16、菌去除率达98%。ACF在净水器中的应用也越来越广泛。日本酸素氧气公司和三菱人造丝公司开发的多功能超小型净水器，具有过滤除臭、灭菌和变硬水为软水的功能，还可把江水、河流湖泊水直接变为饮用水。东邦人造丝公司用聚丙烯腈基ACF生产家用净水器，还和可乐丽公司共同开发了用于水厂和糖厂的净水装置，可脱色、脱臭和除去有机物。沈阳和天津也已逐步使用ACF制作的小型家用净水器。（2）工业用水处理活性炭纤维与有机功能纤维配合，可用于循环冷却用水及锅炉用水的防垢、防腐处理。功能纤维对循环水中的钙镁离子起到吸附、增溶的作用。使循环水中该两种离子的浓度基本稳定在60mg/L的水平上，这一方面是活性炭纤维表面含丰富的酸
17、性官能团，与钙镁离子发生离子交换的结果；另一方面，活性炭纤维在吸附或与溶解氧作用时，生成了CO2，调节了体系的酸度，增大了钙镁离子的溶解性。功能纤维可以吸附水中的有机物及微生物，降低水中溶解氧浓度，抑制水中好氧生物的滋生繁殖。用活性炭纤维处理空调循环水四个月，其微生物指标远低于控制标准，且效果好、成本低，免除了定期换药、投药的麻烦，也减少了环境污染。另外，还可以调节体系的电势差，故可有效地防止水的结垢及对体系金属的腐蚀。（3）废水处理ACF在废水处理中常备用于水中无机离子、有机分子或离子的去除。Ayranci研究了硫氰酸根和乙基磺酸根在活性炭纤维布电极上的电吸附行为。这两种毒性离子都可以通过活
18、性炭纤维布电极的电吸附从废水中几乎完全去除，但乙基磺酸根在实验电位范围内发生了少量的分解。当将活性炭纤维布湿润后再进行电吸附，其吸附速率有所增加。两者的竞争电吸附实验发现，当两者共存时，硫氰酸根几乎不被吸附，显示出了相当强的选择吸附特性。因此，能将这两种离子有效的分离。Atkhami研究硝酸根离子和亚硝酸根离子在活性炭纤维布上的电吸附与脱附行为，实验结果表明在十0.05mA恒电流模式下，活性炭纤维布对这两种离子的吸附量能够显著的提高；当将电流方向改变时，绝大部分被吸附的这两种离子又能快速地脱附下来。因此，利用电增强活性炭纤维处理含有这两种离子的废水可以实现吸附剂电吸附/脱附的循环使用。活性炭纤
19、维在重金属离子的去除方面的应用也很显著。研究表明，ACF对COD有较好的去除效果。十三吗啉农药废水采用ACF处理，COD去除率达94%，出水COD，低于150mg/L，达到工业废水排放标准。李秋瑜等研究了ACF对水溶液中Pb2+的动态和静态吸附过程，发现：Pb2+在ACF上的吸附平衡，能够很好地符合Langmuir吸附等温式。与其他吸附剂相比，ACF在吸附容量上有明显的优势。动态吸附试验表明，ACF吸附Pb2+的穿透点为180mL，吸附终为320mL，具有较好的工程应用可行性。实验过程中，ACF有良好的再生性能。吸附饱和后的ACF再生3次后，仍保持良好的吸附性能，可重复使用。RFu等研究发现，
20、在碱性条件下，ACF对Pt(IV)有很好的还原吸附性能，吸附容量达500mg/g。曾戎等研究了剑麻基ACF对村的吸附，实验结果表明，剑麻基ACF具有较好的还原吸附性能，吸附容量为83.5mg/g。ACF独特的微孔结构、巨大的比表面积及多种官能团，使其在有机废水处理中的吸附特性明显优于活性炭。ACF适用于各种有机废水的处理，对于化工、冶金、炼焦及轻工业产业产生的废水及生活污水的处理有其独特的效果，可除去由生产废水流入而产生的异臭、异味，除去油、农药、余氯腐殖质等。研究表明，ACF对酚类废水有较好的去除效果。韩严和等研究了在电极化的条件下，对硝基苯酚在活性炭纤维上的电吸附动力学特性，在400mV的
21、极化电位下，对硝基苯酚的吸附量从开路时的2.93mmolg-1降N2.65mmolg-1。其电吸附动力学比较好的符合Lagergren一级吸附动力学。ACF在处理染料废水方面也有着较好的性能。ACF可以除去水中的亚甲基蓝、结晶紫、臭酚蓝等有机染料分子，其吸附量大，去除率高。对于不同的染料分子，ACF吸附速率差别很大，陈水挟等对ACF吸附染料做了大量的研究工作表明ACF对亚甲基蓝的静态吸附量达400mg/g，结晶紫250mg/g，二甲酚橙100mg/g和对苯二胺250mg/g。1.2 活性炭纤维再生随着人们对环保的愈加重视和绿色化学的号召，活性炭纤维受到了来自多方面的关注。相比美国和日本这两个研
22、究使用活性炭纤维的大国，我国对其开发仍处于试验阶段，加之起步较晚，实用领域尚未完全开通。影响其广泛使用的主要原因是价格昂贵，因此，活性炭纤维的再生是关键因素。但国内对活性炭纤维有效再生的相关报道相对较少，所采用的方法大多与再生活性炭的方法类似，主要可分为以下几种：（1）加热再生加热再生是通过升高吸附剂的温度，使吸附物脱附，从而让吸附剂得到再生；活性炭纤维的回收和再生采用热分解法来实现如下，在加温到一定温度的情况下，废弃的活性炭纤维复合材料组成复合材料的树脂基体然后分解，剩下的活性炭纤维经过加工可以实现回收和重用，其核心是在特殊的加热炉中通入保护气体隔绝氧气，使分解后不影响到活性炭纤维本身。但加
23、热再生法存在两大问题，一是如何优化接口，改进已有回收利用技术，从组成复合材料的树脂基体中获得最佳回收活性炭纤维产品，二是再生活性炭纤维性能有所降低，用再生活性炭纤维制备的复合材料难以保证获得最佳结构性能。（2）药剂再生药剂再生是使用化学药品进行再生；活性炭纤维的药剂再生是利用化学药品对其进行再生。如在活性炭纤维对硝基酚的吸附和行为研究3中，采用质量分数为10%的NaOH对其进行洗脱，再生率约为90%。但化学再生容易造成二次污染，故实际上采用不多。（3）电热再生4活性炭纤维的电热再生法。电热再生法是利用ACF 的导电性，通入电流，以ACF 作为电阻，产生焦耳热，逐渐达到再生温度而使ACF 再生。
24、采用电热再生法时，ACF 的升温不依靠活性炭纤维层表面向里面传热，因而ACF 升温速率快，且活性炭纤维层里层温度略高于表面温度，热量由内向外传递，与ACF 吸附行为刚好是逆方向，对ACF 再生特别有利。将吸附饱和的活性炭纤维放在电热装置中，将其两端放在电极上用金属夹固定，接通电源，使活性炭纤维通电发热蒸发所吸附的有机物，从而再生。再生率可达90%以上。（4）电化学再生电化学再生法是再生活性炭纤维的一项技术。该方法是让活性炭纤维填充在两个主电极之间，在电解质溶液中加上直流电场，活性炭在电场作用下极化，一端成阳极，另一端呈阴极，形成微电解槽，在活性炭的阴极部位和阳极部位分别发生还原反应和氧化反应，
25、吸附在活性炭上的污染物大部分被分解，小部分因电泳力作用发生脱附而使活性炭再生。该方法简便易行，具有效率高、能耗低、炭损失少，受处理对象局限小的特点，还可以避免二次污染。目前正在研究将该法用于活性炭纤维。（5）生物再生和光催化再生生物再生和光催化再生还需要进一步研究。表1-2 ACF各再生方式优缺表加热再生药剂再生电热再生电化学再生生物、光催化再生优点再生效果好、性能好，再生时间短再生率约为90%再生率可达90%以上、设备简单、运转费用低效率高、能耗低、炭损失少，受处理对象局限小的特点，还可以避免二次污染。污染小、与环境良好缺点能源消耗大、设备昂贵、碳损失率大易造成二次污染仍需进一步研究高效电极
26、尚未找到，传统二维反应器需改进仍需进一步研究由资料可得，国内外目前对活性炭纤维的再生研究仍在积极寻找方法中，只有加热再生已经比较成熟，但价格昂贵。因此，多方向的探索是必然的。1.3 电化学法处理废水现状1.3.1电化学处理废水原理电化学氧化法是新近发展起来的新型有效技术，常用在处理有毒难生物降解污染物。它能在常温常压下，利用电极表面产生的强氧化性的自由基如OH等，通过电极高效的电催化性能，可以无选择地对有机物进行氧化处理，使废水中的有机污染物在电极上或溶液中直接或者间接的被氧化降解从而使难生物降解的有机物转化为可生物降解的有机物，或使难生物降解的有机物“燃烧”而生成CO2和H2O。51.3.2
27、电化学处理废水优缺点该方法只需添加少量或不需加化学药剂，用电子作为反应物，无需加温加压，能量利用效率高，是一种清洁、安全、有效的水处理方法。但目前仍存在几方面的问题：高效的电极材料和电极尚未找到，造成药品消耗大成本升高；传统二维电解反应器接触面积小，产率不高，难以满足工业生产的需要。51.3.3电化学处理废水种类及效果6电化学处理废水选择性强，主要用于处理以下废水：（1）含重金属废水。重金属废水主要来源于采矿过程、炼铁过程和电镀过程。袁绍军等发现电解法处理含Cu2+、Cr3+的废水时，微电解反应器电压选取1.5-2.0V，在不锈钢电极、石墨电极和活性碳纤维电极中，电极选用不锈钢（阳）_石墨（阴
28、）配对电极的去除效果最佳，Cu2+去除率可达89%，Cr3+在90%以上。（2）有机废水。有机废水主要来源于某些工业废水如印染废水、医药废水、农药废水、固体废物填埋场的渗透液等，其中大多含有多氯联苯、稠环芳烃、卤代苯类化合物、酚类化合物以及本质素、单宁以及其他能够产生色和臭味的物质，这些废水均为难降解的有机废水。郑倩等通过阴极电沉积在钛基体上制备了掺杂Ni元素的WOX涂层电极，并认为涂层主要是四价钨的氧化物及镍氧化物的混合物。循环伏安测试苯酚在电极上的氧化电位为0.556V，电极具有很好的电化学催化氧化活性。电极对苯酚的电化学降解效果较好，苯酚的去除率接近90%，COD的去除率在43%左右，提
29、高了苯酚模拟废水的可生化性。（3）富营养水。一般来说，过量的氮和磷主要来源于未处理或处理不完全的工业废水、生活废水、有机垃圾和家禽家畜的粪便及化肥等。我国是世界上使用化肥强度最高的国家，所以在中国化肥是最大的污染源之一，在我们日常生活中的含磷洗衣粉的大量使用也是含磷废水的主要来源。王程远等采用电化学氧化法处理高浓度氨氮废水，分别考察了电流密度、极板间距、氯离子浓度、反应初始pH值对氨氮和总氮去除率的影响。试验结果表明，电化学氧化法去除氨氮和总氮的最佳电流密度为80 mAcm-2，极板间距为30mm，氯离子质量浓度为7000 mgL-1，pH值为9一11。在上述条件下，反应7 h，总氮的质量浓度
30、从3000mgL-1降到379.4 mgL-1，去除率达到87.35%。1.4印染行业废水及其再利用（回用）概况1.4.1行业废水水量及水质特点印染废水是我国工业废水中最难处理之一。具有高浓度的有机物质，成分复杂，多生物降解材料，颜色深度，特别是在染料的污染最为严重。即使在低浓度的染料成分的残留物，也可能导致透光率低，对生态环境造成破坏。染料的降解产物大多是联苯和一些致癌芳香胺化合物。废水中含有有机物能导致生物毒性和致癌，致畸，致突变性质的变化。不容易生物降解的染料，颜料是水中色素的主要来源。色度是印染废水可满足排放标准的最重要的指标排放标准，但也是最棘手的问题.所以，印染废水的处理，关键问题
31、是漂白使其脱色。6印染行业是工业废水排放大户，据不完全统计，全国印染废水每天排放量为3106-4106m3。印染废水的水质随采用的纤维种类和加工工艺的不同而异，污染物组分差异很大。一般印染废水PH值为6-10，CODcr为400-1000mg/l，BOD5为100-400mg/l，SS为100-200mg/l，色度为100-400倍。71.4.2处理达标情况7目前，近年来由于化学纤维织物的发展，仿真丝的兴起和印染后整理技术的进步，使PVA浆料、人造丝碱解物（主要是邻苯二甲酸类物质）、新型助剂等难生化降解有机物大量进入印染废水，其COD浓度也由原来的数百mg/l上升到2000-3000mg/l，
32、从而使原有的生物处理系统COD去除率从70%下降到50%左右，甚至更低。传统的生物处理工艺已受到严重挑战；传统的化学沉淀和气浮法对这类印染废水的COD去除率也仅为30%左右。国内的印染废水处理手段以生化法为主，有的还将化学法与之串联。国外也是基本如此。色度的去除是印染废水处理的一大难题，旧的生化法在脱色方面一直不能令人满意。此外，PVA等化学浆料造成的COD占印染废水总COD的比例相当大，但由于它们很难被普通微生物所利用而使其去除率只有20%-30%。1.5 本实验研究内容及意义由以上介绍可知，印染废水常规处理后COD、色度仍未达标，深度处理有其进行的必要。活性炭纤维作为一种良好的吸附材料在水
33、处理方面应用广范，在废水中可去除其中有机或无机的分子和离子。而电化学再生是一种高效低耗能的方式，并且也在愈见成熟。据此，研究提出“连续吸附+连续电化学再生”的处理思路并展开研究。其研究对象为活性炭纤维，处理对象为微污染印染废水。 本次实验将活性炭纤维对染料废水酸性红18溶液的吸附和吸附后电化学再生衔接，研究活性炭纤维对酸性红18的吸附特性和电化学再生的再生特性。由于实验时间所需时间较长，本次研究分为两个子项研究：活性炭纤维对低浓度废水的吸附性能、吸附后活性炭纤维再生。本文着重讨论活性炭纤维的电化学再生。2 实验部分2.1材料、设备与试剂2.1.1废水水样、吸附材料及电解质溶液（1）浓度为100
34、ppm的染料废水（自制）本次试验染料水选用酸性红18作溶质。酸性红18为一种酸性染料，其分子式为C20H11N2Na3O10S3。用分析天平称取0.1g染料加入到1L蒸馏水中搅拌均匀，配制成浓度100ppm的溶液。（2）活性炭纤维沥青基碳纤维，鞍山塞诺达碳纤维有限公司。其参数如表2-1所示：表2-1活性炭纤维参数密度g/ml抗压强度/106pa杨氏模量/109pa平均直/microns电阻率/10-3.cm碳含量/wt%1.55-1.60500-60030-5012-153-795（3）电解质氯化钠溶液氯化钠为白色立方结晶或结晶性粉末。实验中根据所需的浓度称取一定量的分析纯AR级氯化钠粉末倒入
35、1L蒸馏水中，搅拌，混匀。2.1.2主要仪器设备和材料500ml烧杯、500ml量筒、1000ml烧杯、试管若干、石棉网、电炉、电热恒温鼓风干燥箱、恒温水浴箱、分析天平、光谱仪、搅拌器、钛基二氧化铅、泡沫镍、电源、试管若干、石棉网、电炉电热、恒温鼓风干燥箱、电解槽其中部分设备参数和材料简介如下：（1）光谱仪：USB4000型光谱仪，美国OceanOptics公司。主要技术参数表如2-2所示：表2-2光谱仪技术参数波长范围动态范围检测器特性信噪比积分时间200-1100nm2*10886pHotons/count250:13ms（2）搅拌器：精密增力电动搅拌器JJ-1，常州国华有限公司。主要规格
36、如表2-3所示：表2-3搅拌器规格型号外形尺寸（mm）电机功率搅拌速度JJ-1430x31030W-100W启动-2800r/min（3）钛基二氧化铅做阳极早在二十世纪30年代就有PbO：作为替代阳极而用于工业生产，由于PbO：具有良好的导电性及稳定的化学惰性而广泛应用于电化学工业。二十世纪70年代Beer等人最先发明DSA电极，之后，人们对其进行了大量的研究工作，并在氯碱、硫酸、电镀等工业领域获得应用。Ti由于具有良好的耐腐蚀性和PbO：接近的热膨胀系数而作为PbO：的基体。钛基PbO：电极具有氧发生电位高、氧化能力强、耐腐蚀性好、导电性好、可通过大电流、成本低等优点。近几十年来，钛基PbO
37、：电极经过改性研究，由单一的活性表层发展成具有底层或中间层的金属氧化物复合电极，因其具有良好的电催化性能而广泛应用于电解工业、难生物降解和高浓度有机废水的处理等领域。（4）阴极泡沫镍做阴极泡沫镍是一种性能优良的吸声材料，在高频具有较高的吸声系数;通过吸声结构的设计可以提高其在低频的吸声性能。泡沫镍也是制造镉-镍电池和氢-镍电池的最佳电极材料之一。通过试验研制成功了用电沉积技术制备泡沫镍的工艺。所用基体材料为多孔的开孔泡沫塑料，采用化学镀镍、真空镀镍和浸导电胶三种方法均可制备导电层，经预镀镍便可在通用的硫酸盐镀镍电解液中电镀厚镍，后经灼烧、还原、退火工序便可得到性能优良的泡沫镍材料。在电化学中是
38、常用的电极材料。2.2实验步骤及方法图2-1实验步骤及方法图框（1）活性炭纤维的活化活性炭纤维常用到的活化方法因活化剂不同而分为气体活化法和化学试剂活化法两种。气体活化法因为运用较为广泛，方法较为成熟。该法是以水蒸汽、二氧化碳或微量空气为氧化介质，使碳材料中无序碳部分氧化刻蚀成孔。相对而言，化学试剂活化法则较为少使用，因为它产生的活性炭纤维性能不稳定。具体过程用化学药剂浸泡碳材料，在加热活化过程中使其中的碳元素以一氧化碳、二氧化碳等小分子形式逸出，常用的化学试剂有氯化锌、氢氧化钾等。本实验室采用的简单方法有加乙醇，调节PH，煮沸或干燥。本次试验所采用的活性炭纤维均在干燥器中70度下干燥2h以上
39、。（2）第一次吸附取500ml配置好的100ppm的染料水置于烧杯中，称取1g的活性炭纤维使之悬浮在染料水中，每20min或30min取一次样，利用光谱仪测试水中剩余的酸性红18的量。改变实验条件，如恒温水浴、加试剂或搅拌，重复实验。（3）再生及第二次吸附配置1000ml氯化钠溶液作电解质，阳极钛基二氧化铅，阴极泡沫镍，两极间距离取7cm，通电，将取出后的活性炭纤维放在两电极中间使之悬浮。再生一定时间后取出。然后仍取500ml100ppm染料水置于烧杯中，将再生过后的活性炭纤维放入，加固定转速的搅拌每隔30min取样一次。利用光谱仪测出样品溶液的吸光度。固定电压、两极间板距、电解质浓度，改变再
40、生时间，重复实验。固定电压、两极间距离、再生时间，改变电解质浓度重复实验。2.3实验原理实验原理为电化学催化氧化再生。电化学催化氧化法是利用电极表面产生的强氧化性的自由基如OH等，并通过电极高效的电催化性能，可以无选择地对有机物进行氧化处理，使废水中的有机污染物在电极上或溶液中直接或者间接的被氧化降解。具体到本实验，酸性红18被电化学催化氧化脱色。该方法将活性炭纤维悬浮在两个电极之间，在电解质溶液中加上直流电场，活性炭纤维在电场作用下极化，一端成阳极，另一端呈阴极，形成微电解槽，在活性炭纤维的阴极部位和阳极部位分别发生还原反应和氧化反应，吸附在活性炭上的酸性红18部分被分解，小部分因电泳力作用
41、发生脱附而使活性炭再生，其他的被电解质溶液中反应生成的Cl2和HClO所氧化。其中分解、脱附、再生过程都是指酸性红18断键，导致溶液脱色。其过程如下。酸性红18的分子式：电解过程中酸性红18在活性炭纤维的阴极部位被还原或被生成的Cl2氧化，与活性炭纤维间的链接被打断，活性炭纤维表面的吸附点部分被腾出。电解后电解质溶液并未显现酸性红18的颜色，说明在还原过程中分子中“N=N”被打断。3 实验表征及结果分析3.1吸附特性随着吸附进行，染料水颜色越来越浅，色度越来越小。光谱仪测出的数值吸光度在波长为508nm时达到了最大。吸光度与波长的关系如图3-1所示。图3-1 波长与吸光度在图表表征过程中，需将
42、所得吸光度转化为活性炭纤维的吸附量。其计算方法如下。计算活性炭纤维的吸附量时，先根据各种条件下所得吸光度，计算出溶液中所剩酸性红18的浓度,，再转化为活性炭纤维所吸附的质量。将吸光度转化成溶液中所剩酸性红18的浓度时可根据朗伯-比尔定律，具体表达式如公式3-1所示由朗伯-比尔定律A=lg I0/It =kbc 8 （3-1）式中：A吸光度I0入射光强度It透过光强度k比例系数，与入射光波长、溶液的性质及温度有关，当c的单位为g/ml，b的单位为cm时，k以a表示。a称为吸收系数b液层厚度c溶液浓度在本实验中b=1cm，c单位为g.l-1，则式子为A=abc。在波长为508nm时A=ac。由已知
43、初始的浓度计算出系数a，再代入其他吸光度中求出溶液中所剩酸性红浓度c。又已知体积，就可得出活性炭纤维吸附的量。以常温加搅拌时所得溶液的吸光度为例。其吸光度如表3-1所示:表3-1常温加搅拌时吸光度时间/min0306090120150180210240吸光度0.7660.4930.3530.2360.1750.1150.0690.0130.004当A=0.766时，c=100ppm，可得a=A/c=0.00766.带入其他吸光度可得其他时间下溶液相应的浓度，其结果如表3-2所示。表3-2 常温加搅拌时溶液中浓度时间/min0306090120150180210240浓度ppm10065.144
44、6.0830.8022.8515019.011.700.52根据表3-2的结果，用原溶液浓度减去吸附后溶液浓度，再乘以溶液体积0.5L即可得活性炭纤维的吸附量，其结果如表3-3所示。表3-3 常温加搅拌时活性炭纤维吸附量时间/min0306090120150180210240吸附量/mg017.4326.9634.638.57542.49545.49549.1549.74同理可得各条件下活性炭纤维的吸附量如表3-4所示：表3-4 各条件下活性炭纤维的吸附量吸附量/mg 吸附时间常温20度加搅拌常温20度恒温70度恒温30度0h00000.3-O.5h17.43 3.35 14.12 5.82
45、1h26.96 5.50 21.35 6.72 1.3-1.5h34.60 6.57 31.43 9.76 2h38.58 7.17 34.42 11.70 2.3-2.5h42.49 9.86 39.46 14.61 3h45.50 12.37 41.18 16.55 3.3-3.5h49.15 13.20 45.89 18.84 4h49.74 14.93 46.55 19.94 4.3-4.5h17.03 47.15 23.75 5h19.53 25.28 5.5h25.48 各实验条件下，活性炭纤维吸附酸性红18的量与时间的关系图如图3-2所示：图3-2各吸附条件下吸附量随时间变化关系
46、图图3-2中常温20度下吸附虽然吸附量小但也可进行，说明该过程是自发的；同时，恒温70度的吸附速率快于恒温30度和常温20度，表3-4中吸附稳定时吸附量也有此变化，即随着温度的升高，吸附的量增加，吸附速率加快，这是由温度升高导致酸性红18分子运动加快，吸附活化分子数增多引起的。酸性红18的吸附先是经历二聚体或多聚体的离解，温度升高，提供了该过程所需要的能量，不仅使活性炭纤维中的孔屏蔽减少，还提高了酸性红18的内能用以微孔扩散。图3-2中可看出常温搅拌的吸附速率最快，表3-4中显示的稳定吸附量也最多，这是由于搅拌增多了活性炭纤维与酸性红18分子的接触，加快分子运动速率。3.2不同吸附条件下的再生按吸附部分将所得吸光度转化为活性炭纤维的吸附量。在吸附条件不同的情况下，活性炭纤维的再生率也不同。在电压恒定25V，再生条件相同的情况下，即两极间距7cm，再生电解质为3g/l的Nacl溶液，再生时间为3h的情况下，1g活性炭纤维吸附500ml100ppm酸性红18再生情况如下所示。再生前后活性炭纤维吸附量数值变化见表3-5再生前后，各吸附条件下达到稳定吸附值对比图如图3-3所示;各吸附条件下吸附量随时间变化如图图3-4所示。表3-5不同吸附条件下再生前后活性炭纤维的吸附量时间吸附量/mg 条件70度再生前70度再生后加5ml乙
