電沉積石墨基體NiHCF電控離子分離膜電極的制備、表征及應(yīng)用.pdf

1、電化學(xué)控制離子分離技術(shù)(Electrochemically controlled ion separation，ECIS)是一種環(huán)境友好的新型膜分離技術(shù)，通過電化學(xué)方法調(diào)節(jié)附著在導(dǎo)電基體上的離子分離膜的氧化還原電位來控制離子的置入與釋放，從而使溶液中的金屬離子得到分離并使膜再生。由于ECIS過程的主要推動(dòng)力是電極電位，離子交換基體無需化學(xué)再生，消除了由化學(xué)再生過程產(chǎn)生的大量二次污染物，因而有可能取代傳統(tǒng)的離子交換技術(shù)而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)

2、注。 本文首先以單根石墨棒為基體材料，采用陰極電沉積和毛細(xì)化學(xué)沉積方法制備出具有電化學(xué)控制離子分離(ECIS)性能的電活性(NickelHexacyanoferrate，NiHCF)鐵氰化鎳薄膜。通過EDS和SEM考察了薄膜組成及其形貌，在1M KNO<,3>溶液中采用電勢(shì)循環(huán)可逆地置入與釋放堿金屬離子，比較了不同制備方法得到的NiHCF薄膜的電活性、離子交換容量、再生能力和循環(huán)壽命；在1M(KNO<,3>+CsNO<,3>)混

3、合溶液中測(cè)定了不同濃度下薄膜的伏安特性曲線，分析了薄膜對(duì)Cs<'+>/K<'+>的選擇性。實(shí)驗(yàn)表明，石墨基體上制得的NiHCF膜能夠?qū)崿F(xiàn)電化學(xué)控制離子分離(ECIS)過程；兩種方法制得的薄膜對(duì)Cs<'+>均有較強(qiáng)的選擇性，其中電沉積膜的再生速度高于化學(xué)沉積膜，而化學(xué)沉積膜的壽命高于電沉積膜。 其次采用陰極電沉積法在27根石墨芯堆積固定的基體表面(基體表面積為85.67cm<'2>)制備鐵氰化鎳薄膜，通過EDS光譜和SEM電鏡考察

4、了膜組成及形貌。在1M NaNO<,3>溶液中通過循環(huán)伏安法研究了NiHCF薄膜電化學(xué)行為。結(jié)合循環(huán)伏安法(Cyclic Voltammetry，CV)、計(jì)時(shí)庫(kù)侖法(Chronocoulometry)和電化學(xué)交流阻抗(Electrochemical impedance spectra，EIS)技術(shù)，測(cè)定了Na<'+>、Cs<'+>的擴(kuò)散系數(shù)，并分析研究了NiHCF膜表面的活性情況及傳遞特性。通過計(jì)時(shí)庫(kù)侖法得到一定電壓下NiHCF薄膜活性

5、表面積，活性體積以及氧化還原中心的濃度。其中氧化還原中心的數(shù)量n<,total>=8.01904×10<'-7>mol，膜上Fe中心的濃度C<,total>為6.64×10<'-3>mol/cm<'3>，與Kahlert等人結(jié)果一致。V<,ac>為1.21×10<'-4>cm<'3>，活性表面積A<,ac>為9.88cm<'2>?？梢姡w表面的活性面積小于基體的理論表面積85.67cm<'2>。NiHCF膜在NaNO<,3>和CsNO

6、<,3>溶液中對(duì)Na<'+>、Cs<'+>的置入置出過程是可逆過程受擴(kuò)散控制，峰電流值與掃描速度的平方根近似呈線性關(guān)系。Na<'+>擴(kuò)散系數(shù)D為6.4556x10<'-8>cm<'2> s<'-1>，Cs<'+>擴(kuò)散系數(shù)D為2.1×10<'-8>cm<'2> s<'-1>，此數(shù)據(jù)接近于Kahlert等人的結(jié)果(K<'+>擴(kuò)散系數(shù)為1.49×10<'-9>cm<'2> s<'-1>)。研究表明，在多排石墨芯基體上可制得具有氧化還原活性的N

7、iHCF薄膜，通過增大基體表面積，可以獲得具有更大離子交換容量的NiHCF薄膜。多排石墨芯基體上制得的NiHCF膜能滿足電化學(xué)控制離子分離(ECIS)過程的要求，薄膜對(duì)Cs<'+>有很強(qiáng)的選擇性，且具有較好再生能力，穩(wěn)定性優(yōu)于二維基體NiHCF薄膜。 最后將多排石墨芯基體NiHCF膜電極置于含有Cs<'+>的模擬廢液中，結(jié)合離子色譜研究考察了實(shí)驗(yàn)條件(如堿金屬離子濃度、外加電壓、膜表面狀態(tài)、再生過程和流動(dòng)速度等)對(duì)多排石墨芯基體