[发明专利]一种用于废水中重金属离子电化学去除的膨胀石墨电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种用于废水中重金属离子电化学去除的膨胀石墨电极及其制备方法和应用。首先，将石墨纸裁剪成合适大小，先后在酸、碱和超纯水中各超声清洗一小时，然后烘干。继而，把经预处理的石墨纸在液氮中浸泡5‑30min，随后，快速地将冻结的石墨纸浸没到乙醇溶液中。在室温下，液氮分子迅速汽化，在石墨纸片层中瞬间膨胀将石墨纸膨胀成为三维膨胀石墨。进而，将膨胀石墨在700℃下煅烧1h，在乙醇中超声30分钟。最后，经大量超纯水冲洗并干燥后作为电极。获得的三维膨胀石墨电极具有良好的导电性，利用电化学还原可以高效地去除废水中的重金属离子。

技术领域

本发明涉及水处理、材料开发领域，特别涉及含重金属离子废水中金属离子去除和回收的领域。

背景技术

化工、冶金、制革等行业产生大量含重金属废水。其中含有大量铬、铜、镍等金属元素，对水环境、土壤以及人体健康均会产生严重的危害。因此，国家以及地方、行业排放标准中均对重金属的限值提出了很高的要求。如何高效处理重金属废水成为一个迫切的技术难题。现有的重金属处理方法有：化学沉淀法，膜分离法，生物法等。但是上述方法均有各自的缺点，比如，处理效果差，产生大量危险废弃物，能耗高等。在现有的重金属处理方法中，电化学法提供了一种新的思路。电化学法利用电极表面的氧化还原反应可以将水中的重金属离子还原为较为稳定、毒性较低的存在形式，或者直接将金属离子在电极表面还原为金属单质从而实现水相金属离子的高效去除。电化学法虽然具有一系列其他方法不具有的独特优势，但是开发低成本，高性能的电极材料成为电化学法在实际工程中推广应用的关键和制约因素。

石墨材料由于其具有良好的稳定性和导电性成为电极材料的良好选择，在不同的电化学系统中均有广泛的应用。石墨材料主要的形式有，石墨片，石墨棒和石墨块。石墨电极在重金属废水处理中也已有应用。但是，这些石墨电极形式的比表面积较小，而且电极表面缺乏活性位点，对金属离子的还原性能较差。因此，构建兼具大比表面积和丰富电化学还原活性位点的石墨电极材料成为开发基于电化学还原的重金属废水处理工艺的关键。在所有石墨材料中天然鳞片石墨纸微观上具有致密层状石墨片结构。这些纳米级的石墨片边缘上由于电荷分布、悬空的碳键，以及官能团的分布，使其具有非常优异的电催化性能。因此，如果可以将这些层状堆叠的石墨片边缘暴露出来则可以为石墨电极提供丰富的反应活性面积和反应活性位点。基于此思路和技术应用背景，本发明以期制备膨胀石墨使其成为优异的适用于重金属废水电化学处理的电极材料。

发明内容

本发明的目的是利用液氮分子的快速气化制备膨胀石墨，使其兼具大比表面积和丰富的电化学反应活性位点，最终将该种低成本膨胀石墨材料用于重金属废水的处理。

本发明首先公开了一种用于废水中重金属离子电化学去除的膨胀石墨电极的制备方法，它的步骤如下：

1)将鳞片石墨纸裁剪成合适尺寸，先后在酸液，碱液和超纯水中进行超声清洗，然后烘干；

2)把经步骤1)处理后的石墨纸在液氮中浸泡，随后，将冻结的石墨纸浸没到乙醇溶液中，使石墨纸膨胀为膨胀石墨；

3)将获得的膨胀石墨依次在氮气氛围中煅烧，在乙醇溶液中超声；将得到的膨胀石墨用超纯水冲洗并干燥后即得到用于废水中重金属离子电化学去除的膨胀石墨电极。

进一步的，所述的步骤1)中，酸液为1mol/L 的HCl溶液，碱液为1mol/L的NaOH溶液。

进一步的，所述的步骤2)中，石墨纸在液氮中浸泡的时间为5-120分钟。

进一步的，所述的步骤2)中，乙醇溶液中乙醇的体积百分比为90-99.9％，乙醇溶液中浸没时间为1-5分钟

进一步的，所述的步骤3)中，膨胀石墨在氮气氛围中煅烧的温度为250-900℃，煅烧时间为1-3小时。

进一步的，所述的步骤3)中，膨胀石墨在乙醇溶液中超声时间为5-600分钟，乙醇溶液中乙醇的体积百分比为95-100％。