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[摘 要]针对静电吸附净水效果好但电极材料抗氧化、腐蚀等要求高的问题，本文以炭黑和碳纤维为导电因子的导电塑料研制出静电吸附电极，通过SEM研究电极的表面微观结构，通过质谱仪和色谱仪检测分析其静电吸附性能，该电极具有高效、环保、经济、便利等特点。
[关键词]静电吸附 比表面积 碳纤维 导电塑料
中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）25-0092-01
1 引言（Introduction）
当前，对水中污染物除去的技术主要有离子交换、电渗析、过滤、超滤、纳滤、反渗透和炭吸附等，而静电吸附（EST）是将电化学理论与吸附分离技术相结合，用于除去水中污染物离子，包括盐、重金属等，在除去率、适应性、实用性、稳定性、能耗、节水和环境友好等方面具有独特的优势。
EST的研究经历了技术原理研究（1960-1980年）、电极材料与结构研究（1990-1999年）、吸附模块研究（21世纪以来）三个阶段。Sang Hoon等建立了电吸附模型，研究了电吸附模块的吸附潜能、设计参数和运行条件等；孙晓慰等研制成功以EST模块为核心组装而成的大型工业化电吸附装置。韩寒等人的研究认为：EST是将水中的溶质从溶液中提出出来，而不是将水中的溶剂从溶液中分离，具有原理创新；吸附模块采用惰性电极，化学性能稳定、不需要添加药剂、不用频繁清洗、抗污染性强、运行成本低、预处理简单，具有工艺创新和应用创新[1]。
然而，惰性电极的材料及其表面特征也是制約静电吸附应用的技术瓶颈所在。刘齐齐等人采用水热碳化法对凹凸棒石表面进行有机修饰，通过静态吸附实验，研究改性凹凸棒石对Cr（Ⅵ）吸附去除的性能[2]。尤其是张娅等人围绕惰性电极的材料及其表面特征展开了大量研究，包括Pd 纳米纤维修饰玻碳电极[3]、石墨烯/钯纳米复合材料修饰玻碳电极[4]等。
一方面，目前的研究主要用于传感器的电极，而用于水处理中的静电吸附电极则鲜有报道；另一方面，静电吸附电极材料不仅有电化学稳定性的要求，还应满足便于成型、生产和模块化安装的要求。鉴于系统的性能取决于各要素之间的和谐统一[5]，为此，本文提出了一种基于导电碳纤维和炭黑填充的，便于注塑成型、模块化组装的导电塑料电极。
2 材料与方法（Materials and methods）
2.1 设备、材料与仪器
PP颗粒、短切导电碳纤维（小于2mm）、导电炭黑、改性剂、铜牙条（M2.5）、环氧树脂（E51）、可调数显直流稳压电源（LPS605DII，广州乐达）、导线、标准纯水、自来水。
定量泵注塑机（50TON-1600TON，浙江德库玛）、场发射扫描电子显微镜（S-4800，日本Hitachi）、离子色谱仪（ICS-1600，美国戴安）、元素分析仪（2400Ⅱ，美国PE）、可见分光光度计（722S，上海精科）等。
2.2 电极制备
导电塑料的制备包括按质量百分比计的下列成份：30%～70%的PP聚合物基材、15%～50%的短切导电碳纤维、10% ～35%的导电碳黑，以及1%～5%的改性剂。将上述主要原料按一定工艺，充分搅拌混合后加热使其熔融，并在熔融状态进一步混合均匀，挤出后冷却切粒，即得导电塑料颗粒。
上述导电塑料颗粒投入到注塑机中，注塑成型，得到静电吸附电极，如图1所示。
将铜牙条拧入电极预设的引线孔，以环氧树脂包覆其连接部，进行绝缘处理，并粘合上下外壳，形成静电吸附模块。
用导线将模块与电源相连，并接上进水管和出水管，进行水质净化实验。
2.3 电极的表征
通过场发射扫描电子显微镜观察的微观形貌；通过千分尺测量电极的尺寸和误差；通过电阻测试仪测得电极电阻约为110Ω·cm。
2.4 静电吸附实验
将模块充分清洗之后，从进水口、出水口各取5组，每组50ml水样本，进行水质对比分析；利用色谱仪、质谱仪检测水中阴离子、阴离子含量，其中，NO3-离子含量如表1所示。
2.5 分析计算方法
通过计算进水口、出水口中重金属、Cl-、NO3-等离子含量，计算出两者差值，进而计算出除去率。
3 结果与讨论（Results and discussion）
3.1 电极表征
从图2所示的电极扫描电镜图可以看到，电极表面不仅参差不齐，而且分布了大量的150-2000nm的空隙，这是由于聚集的碳纤维和炭黑所致，这就使得电极具有很大的比表面积和微孔体积，从而有利于带相反电荷的离子在电极表面聚集。这与吴梅芬等人研究的结论“电极的比表面积、孔径分布和微孔体积数对电吸附有明显的影响”[6]是一致的。
3.2 电极间距
电极间距是影响静电吸附效果的重要因素之一。由于模具一定，即电极格珊的距离为18 mm，格珊厚度2 mm，只能通过偏移相互插入的电极来调整电极间的距离，分别得到7+7mm、6+8mm、5+9mm、4+10mm、3+11mm、2+12mm六组不同间距的电极组合模块。经对比分析，7+7 mm组合的电极间距效果最好。
3.3 应用探讨
根据前文所述的技术原理和参数，扬州智光环保科技发展有限公司研制出了实验样机，并已获得发明专利（ZL 201410376716.1），经扬州大学测试中心检测，该净水机对自来水中的铅离子等污染物除去率达90%。
4 结论与建议
以碳纤维、炭黑为导电因子的导电塑料，不仅耐腐蚀、抗氧化、电阻小、成型好，而且比表面积大、微孔体积数大、吸附效果好。以该塑料来制作静电吸附电极，在污水处理、水质净化方面具有广阔的前景。
参考文献
[1] 韩寒，陈新春，尚海利.电吸附除盐技术的发展及应用[J].工业水处理，2010，30（2）：20-23.
[2]刘齐齐，王萍，储蓓，等.凹凸棒石的表面修饰及对水中Cr（Ⅵ）吸附动力学和热力学的研究[J].环境科学学报，2016： DOI： 10.13671/j.hjkxxb.2016.0435.
[3] Ya Zhang*，Fangfang Wen，Yan Jiang，etc.Layer-by-layer construction of caterpillar-like reduced grapheneoxide–poly（aniline-co-o-aminophenol）–Pd nanofiber on glassycarbon electrode and its application as a bromate sensor [J].Electrochimica Acta，2014，105，605-610.
[4] Ya Zhang*，Yanhua Zhao， Saisai Yuan，etc.Electrocatalysis and detection of nitrite on a reduced graphene /Pd nanocomposite modified glassy carbon electrode[J].Sensors and Actuators B，2013， 185，602–607.
[5] Wanghu Sun. The Constitution of the Harmonious Architectural System[J].Applied Mechanics and Materials，2011，71-78：261-265.
[6] 吴梅芬，金宇宁，赵国华.活性碳纤维的电吸附性能[J].建筑材料学报， 2011，14（1）：143.
[关键词]静电吸附 比表面积 碳纤维 导电塑料
中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）25-0092-01
1 引言（Introduction）
当前，对水中污染物除去的技术主要有离子交换、电渗析、过滤、超滤、纳滤、反渗透和炭吸附等，而静电吸附（EST）是将电化学理论与吸附分离技术相结合，用于除去水中污染物离子，包括盐、重金属等，在除去率、适应性、实用性、稳定性、能耗、节水和环境友好等方面具有独特的优势。
EST的研究经历了技术原理研究（1960-1980年）、电极材料与结构研究（1990-1999年）、吸附模块研究（21世纪以来）三个阶段。Sang Hoon等建立了电吸附模型，研究了电吸附模块的吸附潜能、设计参数和运行条件等；孙晓慰等研制成功以EST模块为核心组装而成的大型工业化电吸附装置。韩寒等人的研究认为：EST是将水中的溶质从溶液中提出出来，而不是将水中的溶剂从溶液中分离，具有原理创新；吸附模块采用惰性电极，化学性能稳定、不需要添加药剂、不用频繁清洗、抗污染性强、运行成本低、预处理简单，具有工艺创新和应用创新[1]。
然而，惰性电极的材料及其表面特征也是制約静电吸附应用的技术瓶颈所在。刘齐齐等人采用水热碳化法对凹凸棒石表面进行有机修饰，通过静态吸附实验，研究改性凹凸棒石对Cr（Ⅵ）吸附去除的性能[2]。尤其是张娅等人围绕惰性电极的材料及其表面特征展开了大量研究，包括Pd 纳米纤维修饰玻碳电极[3]、石墨烯/钯纳米复合材料修饰玻碳电极[4]等。
一方面，目前的研究主要用于传感器的电极，而用于水处理中的静电吸附电极则鲜有报道；另一方面，静电吸附电极材料不仅有电化学稳定性的要求，还应满足便于成型、生产和模块化安装的要求。鉴于系统的性能取决于各要素之间的和谐统一[5]，为此，本文提出了一种基于导电碳纤维和炭黑填充的，便于注塑成型、模块化组装的导电塑料电极。
2 材料与方法（Materials and methods）
2.1 设备、材料与仪器
PP颗粒、短切导电碳纤维（小于2mm）、导电炭黑、改性剂、铜牙条（M2.5）、环氧树脂（E51）、可调数显直流稳压电源（LPS605DII，广州乐达）、导线、标准纯水、自来水。
定量泵注塑机（50TON-1600TON，浙江德库玛）、场发射扫描电子显微镜（S-4800，日本Hitachi）、离子色谱仪（ICS-1600，美国戴安）、元素分析仪（2400Ⅱ，美国PE）、可见分光光度计（722S，上海精科）等。
2.2 电极制备
导电塑料的制备包括按质量百分比计的下列成份：30%～70%的PP聚合物基材、15%～50%的短切导电碳纤维、10% ～35%的导电碳黑，以及1%～5%的改性剂。将上述主要原料按一定工艺，充分搅拌混合后加热使其熔融，并在熔融状态进一步混合均匀，挤出后冷却切粒，即得导电塑料颗粒。
上述导电塑料颗粒投入到注塑机中，注塑成型，得到静电吸附电极，如图1所示。
将铜牙条拧入电极预设的引线孔，以环氧树脂包覆其连接部，进行绝缘处理，并粘合上下外壳，形成静电吸附模块。
用导线将模块与电源相连，并接上进水管和出水管，进行水质净化实验。
2.3 电极的表征
通过场发射扫描电子显微镜观察的微观形貌；通过千分尺测量电极的尺寸和误差；通过电阻测试仪测得电极电阻约为110Ω·cm。
2.4 静电吸附实验
将模块充分清洗之后，从进水口、出水口各取5组，每组50ml水样本，进行水质对比分析；利用色谱仪、质谱仪检测水中阴离子、阴离子含量，其中，NO3-离子含量如表1所示。
2.5 分析计算方法
通过计算进水口、出水口中重金属、Cl-、NO3-等离子含量，计算出两者差值，进而计算出除去率。
3 结果与讨论（Results and discussion）
3.1 电极表征
从图2所示的电极扫描电镜图可以看到，电极表面不仅参差不齐，而且分布了大量的150-2000nm的空隙，这是由于聚集的碳纤维和炭黑所致，这就使得电极具有很大的比表面积和微孔体积，从而有利于带相反电荷的离子在电极表面聚集。这与吴梅芬等人研究的结论“电极的比表面积、孔径分布和微孔体积数对电吸附有明显的影响”[6]是一致的。
3.2 电极间距
电极间距是影响静电吸附效果的重要因素之一。由于模具一定，即电极格珊的距离为18 mm，格珊厚度2 mm，只能通过偏移相互插入的电极来调整电极间的距离，分别得到7+7mm、6+8mm、5+9mm、4+10mm、3+11mm、2+12mm六组不同间距的电极组合模块。经对比分析，7+7 mm组合的电极间距效果最好。
3.3 应用探讨
根据前文所述的技术原理和参数，扬州智光环保科技发展有限公司研制出了实验样机，并已获得发明专利（ZL 201410376716.1），经扬州大学测试中心检测，该净水机对自来水中的铅离子等污染物除去率达90%。
4 结论与建议
以碳纤维、炭黑为导电因子的导电塑料，不仅耐腐蚀、抗氧化、电阻小、成型好，而且比表面积大、微孔体积数大、吸附效果好。以该塑料来制作静电吸附电极，在污水处理、水质净化方面具有广阔的前景。
参考文献
[1] 韩寒，陈新春，尚海利.电吸附除盐技术的发展及应用[J].工业水处理，2010，30（2）：20-23.
[2]刘齐齐，王萍，储蓓，等.凹凸棒石的表面修饰及对水中Cr（Ⅵ）吸附动力学和热力学的研究[J].环境科学学报，2016： DOI： 10.13671/j.hjkxxb.2016.0435.
[3] Ya Zhang*，Fangfang Wen，Yan Jiang，etc.Layer-by-layer construction of caterpillar-like reduced grapheneoxide–poly（aniline-co-o-aminophenol）–Pd nanofiber on glassycarbon electrode and its application as a bromate sensor [J].Electrochimica Acta，2014，105，605-610.
[4] Ya Zhang*，Yanhua Zhao， Saisai Yuan，etc.Electrocatalysis and detection of nitrite on a reduced graphene /Pd nanocomposite modified glassy carbon electrode[J].Sensors and Actuators B，2013， 185，602–607.
[5] Wanghu Sun. The Constitution of the Harmonious Architectural System[J].Applied Mechanics and Materials，2011，71-78：261-265.
[6] 吴梅芬，金宇宁，赵国华.活性碳纤维的电吸附性能[J].建筑材料学报， 2011，14（1）：143.