电沉积法制备聚吡咯复合材料及其在电容去离子技术中的应用
发布时间：2021-11-21 03:12
近年来,电容法去离子（CDI）技术作为一种操作简便、环境友好和资源可回收的新型技术成为解决重金属废水污染等问题的途径之一,目前CDI技术的研究核心仍然是高性能电极材料的制备。聚吡咯（PPy）是常见的导电聚合物,它具有高比电容,低成本,化学稳定性好等优点,通过与碳材料和金属氧化物等材料复合可以制备出性能优越的电极材料,在CDI技术中具有较好的应用前景。本文通过电沉积法制备PPy复合电极,探索了电沉积过程、添加成分（壳聚糖、氧化石墨烯和二氧化锰）对复合电极表面特性、电化学性能和吸附性能的影响规律,探究具有高吸附性能的PPy复合电极制备工艺参数。本论文主要包括以下内容:（1）采用分层电化学沉积法成功制备了具有三明治结构的PPy/CS/GO复合材料,并对其形貌、结构进行了研究,PPy和CS呈球形并被GO片层包裹,三者之间以化学键相互结合。对PPy/CS/GO复合材料的电化学特性与吸脱附性能进行了测试和分析。结果表明,与PPy电极相比,PPy/CS/GO复合电极具有更高的电容（165.03F/g）和更低的电荷转移电阻（1.959Ω·cm2）。PPy/CS/GO复合电极的吸附...
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
废水中的重金属处理方法
西安建筑科技大学硕士学位论文3子技术节能环保和低成本等优点，使其在工业化发展方向有很好的前景。图1.2CDI技术吸/脱附过程原理图[15]Fig.1.2SchematicdiagramofCDItechnologysuction/desorptionprocess[15]1.2.2电极材料CDI的脱盐效果的主要影响因素是电极的材料特性、CDI单元的结构设计和操作条件（工作电压、原料液组成和流速控制等）[20]。电极材料在CDI的工作过程中起到了核心作用，它的性能直接影响去除离子的效果。理想的CDI电极材料一般具有：（1）高的比表面积及合适的孔隙率；（2）良好的导电率；（3）可以适应电吸附/脱附的转变；（4）良好的亲水性；（5）能适应不同条件的溶液；（6）成型简便。目前，CDI技术的电极材料主要分为三类：碳材料、过渡金属氧化物和导电聚合物[21]。碳材料具有良好的导电性、高的比表面积和稳定性等优点[22]。目前研究较多的碳材料主要有：活性炭、石墨烯、碳气凝胶、碳纳米管和碳纤维等[23]。已报道的有，Kumar等[24]合成了碳气凝胶电极，并报道了在施加的电势为1.2V时，对200mg/L的NaCl溶液的盐吸附能力为10.45mg/g。Nie等[25]通过电泳沉积合成了一种被聚丙烯酸（PPA）覆盖的碳纳米管（CNT），CNT-PPA复合材料用作电容去离子的电极材料。研究表明，CNT-PAA的比电容由原来CNT的109.15F/g降低到59.69F/g，这是因为沉积在CNT上的PAA的阻塞导致的。尽管降低了电容，但除盐率相比CNT电极提高51％，这是因为PAA改善了润湿性并降低了复合电极的共离子排出。此外，由于改善了阳离子交换聚合物与碳之间的接触粘合性，降低了界面电阻，因此CNT-PPA复合电极的脱盐性能比CNT电极高17％。Li等[26]合成了还原型氧化石墨烯（rGO）和活性炭（AC）复合材料。AC的引入充当石墨烯片之间的“间隔物”。与分别具有67F/g
。Choi等人[46]使用吡咯单体的气相渗透聚合合成PPy浸渍的多孔碳。结果表明，官能化的聚合物层成功地涂覆在碳的孔表面上，而没有中孔结构的塌陷。由于PPy的胺基，改性的多孔碳对重金属离子例如汞，铅和银离子表现出改善的络合亲和力。加入PPy的多孔碳具有增强的重金属离子吸收率，其比具有胺官能团的吸附剂的吸收率高20倍。PPy作为电极材料存在一些缺点，比如机械性能差、循环稳定、加工性等较差。为了提高PPy的性能，将PPy与碳材料和金属氧化物等材料进行复合来制备高性能电极材料已成为目前科研工作者的重点研究工作。图1.3PPy的分子结构[40]Fig.1.3MolecularstructureofPPy[40]1.3.2壳聚糖(CS)CS是甲壳素的乙酰基被部分或者全部脱除之后得到的，在水和碱溶液中难以溶解，可以溶于稀酸溶液。CS是目前自然界中发现的唯一碱性糖类高分子，结构式如图1.4所示。CS主链上带有大量的伯胺基团（NH2），这些基团可以与重金属离子络合。CS作为吸附剂，无毒副作用并且易于降解，在水处理、金属提取及回收等方面具有研究前景。He等[47]采用单向冷冻干燥法，成功制备了一种GO-CS多孔材料，该多孔材料对重金属离子进行吸附测试，结果表明：当GO的质量分数为5%时，复合吸附剂对Pb2+的吸附率可提高31%，最大吸附量可达99mg/g。Mohamed等[48]通过将丙烯酸接枝聚合到CS-纤维素杂化物上，制备出具有良好的机械强度和较高的亲水性的接枝物，用于去除水中Ca2+、Mg2+等离子。将壳聚糖分子链上的氨基与羟基等基团通过物理化学改性，能够使壳聚糖具有新的理化性
【参考文献】：
期刊论文
[1]聚合物吸附剂的制备及在水体重金属污染净化应用中的研究进展[J]. 蒋芳,雷婷,李声剑,任子旋,王利莲,刘萌,汤立红,王世雄. 材料导报. 2019(S2)
[2]离子交换与吸附树脂对重金属废水处理的研究进展[J]. 胡海华,韩玉,钟世华. 精细化工中间体. 2019(04)
[3]氧化石墨烯/改性磁性壳聚糖复合材料对Cu2+的吸附研究[J]. 李林波,马键. 化工新型材料. 2019(08)
[4]MnO2基复合吸附剂制备及去除水中重金属性能[J]. 张兵兵,朱秋锋,王婷婷,胡凯. 水处理技术. 2019(04)
[5]电化学沉积制备氧化石墨烯/聚吡咯复合材料及其用于超级电容器的研究[J]. 陈贵靖,邱孝涛,邱宇涵,罗少伶. 化学研究与应用. 2019(01)
[6]二氧化锰电极材料开发及应用的进展[J]. 卢宇轩,唐长斌,牛浩,薛娟琴. 电镀与涂饰. 2018(23)
[7]化学沉淀法处理重金属废水的研究进展[J]. 马健伟,任淑鹏,初阳,宋亚瑞,刘美琪. 化学工程师. 2018(08)
[8]电沉积法制备石墨烯/MnO2纳米复合电极的电容性能[J]. 邓高,何捍卫. 粉末冶金材料科学与工程. 2018(04)
[9]电容去离子用功能化电极吸附材料的设计与构建[J]. 谢康俊,张树鹏,高娟娟,宋海欧. 化学通报. 2017(07)
[10]电去离子（EDI）技术处理低浓度重金属废水的研究进展[J]. 冯云华,王建友,李帅,张中敏. 水处理技术. 2017(05)
博士论文
[1]石墨烯复合材料的制备及其电容去离子化应用研究[D]. 顾晓瑜.华南理工大学 2016
硕士论文
[1]纳米Fe3O4/MnO2@石墨烯的制备与改性及其对Pb（Ⅱ）的吸附研究[D]. 徐礼春.华东交通大学 2019
[2]C/MnO2复合电极材料的电沉积制备及其电容性能研究[D]. 刘星星.武汉工程大学 2018
[3]聚吡咯复合纳米电极制备及吸附重金属离子性能研究[D]. 代继哲.西安建筑科技大学 2018
[4]过渡金属氧化物—碳复合材料制备及其电化学性能的研究[D]. 杨朝.华北理工大学 2018
[5]基于三维多孔镍沉积二氧化锰电极电化学特性的研究[D]. 林昕.华南理工大学 2015
[6]聚吡咯膜离子交换性能及电化学净水研究[D]. 蔡本慧.大连理工大学 2008
本文编号：3508652
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
废水中的重金属处理方法
西安建筑科技大学硕士学位论文3子技术节能环保和低成本等优点，使其在工业化发展方向有很好的前景。图1.2CDI技术吸/脱附过程原理图[15]Fig.1.2SchematicdiagramofCDItechnologysuction/desorptionprocess[15]1.2.2电极材料CDI的脱盐效果的主要影响因素是电极的材料特性、CDI单元的结构设计和操作条件（工作电压、原料液组成和流速控制等）[20]。电极材料在CDI的工作过程中起到了核心作用，它的性能直接影响去除离子的效果。理想的CDI电极材料一般具有：（1）高的比表面积及合适的孔隙率；（2）良好的导电率；（3）可以适应电吸附/脱附的转变；（4）良好的亲水性；（5）能适应不同条件的溶液；（6）成型简便。目前，CDI技术的电极材料主要分为三类：碳材料、过渡金属氧化物和导电聚合物[21]。碳材料具有良好的导电性、高的比表面积和稳定性等优点[22]。目前研究较多的碳材料主要有：活性炭、石墨烯、碳气凝胶、碳纳米管和碳纤维等[23]。已报道的有，Kumar等[24]合成了碳气凝胶电极，并报道了在施加的电势为1.2V时，对200mg/L的NaCl溶液的盐吸附能力为10.45mg/g。Nie等[25]通过电泳沉积合成了一种被聚丙烯酸（PPA）覆盖的碳纳米管（CNT），CNT-PPA复合材料用作电容去离子的电极材料。研究表明，CNT-PAA的比电容由原来CNT的109.15F/g降低到59.69F/g，这是因为沉积在CNT上的PAA的阻塞导致的。尽管降低了电容，但除盐率相比CNT电极提高51％，这是因为PAA改善了润湿性并降低了复合电极的共离子排出。此外，由于改善了阳离子交换聚合物与碳之间的接触粘合性，降低了界面电阻，因此CNT-PPA复合电极的脱盐性能比CNT电极高17％。Li等[26]合成了还原型氧化石墨烯（rGO）和活性炭（AC）复合材料。AC的引入充当石墨烯片之间的“间隔物”。与分别具有67F/g
。Choi等人[46]使用吡咯单体的气相渗透聚合合成PPy浸渍的多孔碳。结果表明，官能化的聚合物层成功地涂覆在碳的孔表面上，而没有中孔结构的塌陷。由于PPy的胺基，改性的多孔碳对重金属离子例如汞，铅和银离子表现出改善的络合亲和力。加入PPy的多孔碳具有增强的重金属离子吸收率，其比具有胺官能团的吸附剂的吸收率高20倍。PPy作为电极材料存在一些缺点，比如机械性能差、循环稳定、加工性等较差。为了提高PPy的性能，将PPy与碳材料和金属氧化物等材料进行复合来制备高性能电极材料已成为目前科研工作者的重点研究工作。图1.3PPy的分子结构[40]Fig.1.3MolecularstructureofPPy[40]1.3.2壳聚糖(CS)CS是甲壳素的乙酰基被部分或者全部脱除之后得到的，在水和碱溶液中难以溶解，可以溶于稀酸溶液。CS是目前自然界中发现的唯一碱性糖类高分子，结构式如图1.4所示。CS主链上带有大量的伯胺基团（NH2），这些基团可以与重金属离子络合。CS作为吸附剂，无毒副作用并且易于降解，在水处理、金属提取及回收等方面具有研究前景。He等[47]采用单向冷冻干燥法，成功制备了一种GO-CS多孔材料，该多孔材料对重金属离子进行吸附测试，结果表明：当GO的质量分数为5%时，复合吸附剂对Pb2+的吸附率可提高31%，最大吸附量可达99mg/g。Mohamed等[48]通过将丙烯酸接枝聚合到CS-纤维素杂化物上，制备出具有良好的机械强度和较高的亲水性的接枝物，用于去除水中Ca2+、Mg2+等离子。将壳聚糖分子链上的氨基与羟基等基团通过物理化学改性，能够使壳聚糖具有新的理化性
【参考文献】：
期刊论文
[1]聚合物吸附剂的制备及在水体重金属污染净化应用中的研究进展[J]. 蒋芳,雷婷,李声剑,任子旋,王利莲,刘萌,汤立红,王世雄. 材料导报. 2019(S2)
[2]离子交换与吸附树脂对重金属废水处理的研究进展[J]. 胡海华,韩玉,钟世华. 精细化工中间体. 2019(04)
[3]氧化石墨烯/改性磁性壳聚糖复合材料对Cu2+的吸附研究[J]. 李林波,马键. 化工新型材料. 2019(08)
[4]MnO2基复合吸附剂制备及去除水中重金属性能[J]. 张兵兵,朱秋锋,王婷婷,胡凯. 水处理技术. 2019(04)
[5]电化学沉积制备氧化石墨烯/聚吡咯复合材料及其用于超级电容器的研究[J]. 陈贵靖,邱孝涛,邱宇涵,罗少伶. 化学研究与应用. 2019(01)
[6]二氧化锰电极材料开发及应用的进展[J]. 卢宇轩,唐长斌,牛浩,薛娟琴. 电镀与涂饰. 2018(23)
[7]化学沉淀法处理重金属废水的研究进展[J]. 马健伟,任淑鹏,初阳,宋亚瑞,刘美琪. 化学工程师. 2018(08)
[8]电沉积法制备石墨烯/MnO2纳米复合电极的电容性能[J]. 邓高,何捍卫. 粉末冶金材料科学与工程. 2018(04)
[9]电容去离子用功能化电极吸附材料的设计与构建[J]. 谢康俊,张树鹏,高娟娟,宋海欧. 化学通报. 2017(07)
[10]电去离子（EDI）技术处理低浓度重金属废水的研究进展[J]. 冯云华,王建友,李帅,张中敏. 水处理技术. 2017(05)
博士论文
[1]石墨烯复合材料的制备及其电容去离子化应用研究[D]. 顾晓瑜.华南理工大学 2016
硕士论文
[1]纳米Fe3O4/MnO2@石墨烯的制备与改性及其对Pb（Ⅱ）的吸附研究[D]. 徐礼春.华东交通大学 2019
[2]C/MnO2复合电极材料的电沉积制备及其电容性能研究[D]. 刘星星.武汉工程大学 2018
[3]聚吡咯复合纳米电极制备及吸附重金属离子性能研究[D]. 代继哲.西安建筑科技大学 2018
[4]过渡金属氧化物—碳复合材料制备及其电化学性能的研究[D]. 杨朝.华北理工大学 2018
[5]基于三维多孔镍沉积二氧化锰电极电化学特性的研究[D]. 林昕.华南理工大学 2015
[6]聚吡咯膜离子交换性能及电化学净水研究[D]. 蔡本慧.大连理工大学 2008
本文编号：3508652
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