哈工大（深圳）任南琪院士团队陈以頔&阿德莱德大学段晓光JMST: 使用生物炭通过电容去离子方法从水溶液中有效去除和回收Cd2+

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第一作者：宋昭

通讯作者：陈以頔；段晓光

通讯单位：哈尔滨工业大学（深圳）；阿德莱德大学

论文DOI：10.1016/j.jmst.2022.11.016

 研究背景

镉（Cd）是一种对环境和人类有剧毒的重金属，通常在自然水和废水中存在浓度为0.005至10 mg L⁻¹。Cd已被公认为一种致癌物质，与许多疾病有关，例如近端肾小管功能障碍、骨软化症和心血管疾病等。含镉物质通常从工业活动中释放出来，例如燃煤发电厂、金属精加工、冶金合金化、锌冶炼和油漆工业等。对于Cd的接触，除了直接使用水外，由于其生物累积能力，还可以通过食物链在植物，动物和人体中积累。因此，从自然水或废水中去除Cd对于确保环境安全和人类健康非常重要。世界卫生组织对饮用水中Cd标准设为0.003mg L⁻¹，污水排放标准会高一些，例如0.1mg L⁻¹。此外，由于镍镉电池中镉的大量消耗，从废水中回收镉对于经济效益也至关重要。

目前已经开发了多种Cd去除方法，例如吸附、化学沉淀、离子交换、膜技术和电化学处理方法等。在各方法中，物理吸附法因其成本低廉和操作简单成为一种广泛用于去除Cd的处理方法。其中，生物质和有机废物热解产生的生物炭，由于其具有高比表面积和孔隙率的特点，可用作绿色吸附剂以去除重金属。然而，将生物炭用于Cd吸附去除存在两个主要问题：一是生物炭对Cd的吸附容量有限；二是吸附饱和的生物炭材料作为有毒有害固废需要进一步处理。

电容去离子技术（CDI）是一种基于静电吸附作用，从溶液中去除和富集离子的有效且经济的方法。通常，CDI由两个操作步骤组成：第一步是在低电位条件下，带电离子在静电吸引力的作用下迁移和储存在电极表面形成双电层；第二步是当电场消失或逆转时吸附离子的释放和回收。在CDI方法中，通常以高导电性和高比表面积的材料作为电极。在缺氧条件下热解产生的生物炭因具有高孔隙率、高比表面积（SSA）、优良的导电性、环境相容性等优点被应用于其他类似技术如超级电容器。目前，关于生物炭用于CDI去除Cd²⁺的研究，以及关于生物炭的电化学特性和物化性质与Cd²⁺去除性能之间关系的研究较少。

本文亮点

生物炭是低成本和可持续的环保技术材料。在这项工作中，我们用柚子皮（P-BC）、藻类（A-BC）和玉米芯（C-BC）制备了三种生物炭，通过CDI从废水中回收Cd。A-BC具有最多的中孔和氮基团，通过物理吸附获得最高的Cd去除率。在电吸附能力方面，C-BC和A-BC由于电荷转移和传质电阻较小，对Cd的电容性去除优于P-BC。此外，本工作还研究了表面形貌、外加电压、NaCl浓度、初始pH和Cd浓度对Cd电容去除和电极再生性能的影响。结果表明，A-BC和C-BC可能是CDI去除废水中镉的潜在优良电极材料。

图文导读

图 1.（a）N₂吸附/解吸等温线;（b）P-BC、A-BC和C-BC的孔径分布。

图 2. (a) P-BC、A - BC和C-BC电极的FTIR谱；(b-e) P-BC (b)、A-BC (c)和C-BC (d)在Cd²⁺电吸附前(黑线)和后(红线)的XPS全谱。(e) A-BC电吸附Cd²⁺前后的C1s、N1s、O1s 和Cd3d的XPS谱。

图3 不同外加电压下Cd²⁺的去除率。实验条件：溶液中含有2 mg L⁻¹ Cd²⁺和292.2 mg L⁻¹ NaCl。0、−0.8、−1.2和−1.5 V电压施加2小时，0.8、1.2和1.5 V电压施加0.5小时。实线和虚线分别表示第一个周期和第二个周期的结果。

图4 (a) P-BC；(b) A-BC；(c) C-BC电极在不同扫描速度下的CV曲线；(d)不同材料的阻抗谱和等效电路。

图5. (a1) P-BC， (b1) A-BC， (c1) C-BC电极和已使用(a2) P-BC， (b2) A-BC， (c2) C-BC电极的SEM-EDS。

图 6.在不同（a）NaCl 盐浓度、（b）初始 pH 值和（c）初始浓度下 Cd²⁺的去除效率。实验条件：进料液中含有（a）2 mg L⁻¹ Cd²⁺和 292.2/730.5/5844 mg L⁻¹NaCl,（b）2 mg L⁻¹ Cd²⁺和 292.2 mg L⁻¹ NaCl，（c）0.2/2/10 mg L⁻¹ Cd²⁺和 292.2 mg L⁻¹NaCl。在去除步骤中施加−1.2 V电压2 h，在再生步骤中施加1.2 V电压0.5 h。实线和虚线分别表示（a）中第一个循环和第二个循环的结果。柱条表示Cd去除效率，实线表示（c）中的电极再生效率。

图 7.（a） Cd²⁺和不同重金属的去除效率;（b）P-BC，A-BC和C-BC对Cd²⁺的选择性。实验条件：进料液中含有0.2 mg L⁻¹ (2 μM) Cd²⁺, 292.2 mg L⁻¹NaCl, and 2 μM CaCl₂/2 μM FeCl₃/2 μM ZnCl₂/2 μM CuCl₂/2 μM NiCl₂。

总结与展望

本研究中制备了P-BC、A-BC和C-BC三种生物炭电极，并将其应用于CDI去除Cd²⁺。由于A-BC具有丰富的介孔结构和表面O、N官能团，其物理吸附容量优于SSA最高的P-BC。外加电压的增加显著提高了三个电极的去除效率和重复利用能力。特别地，Cd²⁺更容易被A-BC和C-BC去除，因具有出色的电荷转移和传质能力。在生物炭中，A-BC电极表现出优异的去除效率、良好的再生能力和低耗电量，使其成为CDI应用中电极材料的理想选择。在实际应用中，共生重金属的竞争性吸附可能会影响生物炭电极的效率和选择性，对生物炭的修饰或平行CDI反应器的应用对于提高复杂水环境中的选择性和去除能力至关重要。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.11.016

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