电吸附去除水中Fe3+研究

黄成思，苏 斌，段小月

(吉林师范大学 环境科学与工程学院，吉林 四平 136000)

电吸附去除水中Fe3+研究

黄成思，苏 斌，段小月

(吉林师范大学 环境科学与工程学院，吉林 四平 136000)

采用活性炭纤维电极电吸附水中Fe3+，研究电压、Fe3+初始浓度、pH值、温度对电吸附去除水中Fe3+效果的影响。实验结果表明：随着电压升高，Fe3+去除率升高；Fe3+初始浓度越大，Fe3+去除率降低，但活性炭纤维的吸附容量增大；溶液的pH值偏碱性时，Fe3+的去除率较高；温度越高，Fe3+去除率也越高，但是温度高于40 ℃时，由于溶液蒸发，Fe3+浓度降低较慢。此外，活性炭纤维电极再生实验结果表明，活性炭纤维电吸附Fe3+之后电极具有良好的再生性。

活性炭纤维；电吸附；Fe3+；再生

电吸附技术是通过在电极表面施加电压，使带电离子向相反的电极运动并储存在电极的双电层中，从而达到去除水中离子的目的[1-2]。当电极达到饱和后，将电极反接，在电极与吸附离子之间的静电斥力作用下，离子从电极上脱附下来，电极得到再生[3-4]。因此，电吸附技术除了具有投资少、能耗低、无二次污染的优点外，电极还极易再生，循环寿命长，是一种既经济又有效的去除水中离子的方法[5-7]。活性炭纤维由于其比表面积大，孔洞结构发达，成为电吸附技术的一种常用电极材料[8]。本研究即利用活性炭纤维电极电吸附水中Fe3+，研究电压、Fe3+离子初始浓度、溶液pH值、温度对Fe3+去除率的影响。

1 实验部分

1.1 活性炭纤维的预处理

将活性炭纤维剪成3 cm×5 cm大小，利用超纯水洗净，放入烘箱中120 ℃下烘干。

1.2 电吸附实验

取20 mL一定浓度的FeCl3溶液置于小玻璃槽中，将两个与电源相连的活性炭纤维电极紧贴槽壁置于溶液中，电极上施加一定的电压，每10 min测一次溶液中Fe3+的浓度，直至浓度不再下降。然后，将电极反接20 min，电极得到再生。溶液中Fe3+的浓度利用溶液的电导率测定。

2 结果与讨论

2.1 电压对电吸附效果的影响

电吸附过程是利用静电引力吸附水中离子，所以电压是影响电吸附效果的最主要因素。为了考察电压对活性炭纤维电吸附水中Fe3+的影响，在温度为25 ℃，Fe3+初始浓度为1 mmol/L，pH值未调的条件下，分别施加0.9 V，1.2 V，1.5 V，1.8 V的电压进行电吸附研究，结果如图1所示。由图1可知，在施加电压范围内，随着电压的增大，Fe3+去除率逐渐升高。当吸附平衡时，在0.9 V的电压下，Fe3+去除率为45.1%；而电压升到1.8 V时，Fe3+去除率达到69.0%，约为0.9 V时的1.5倍。

图1 不同电压下Fe3+去除率随时间变化曲线

2.2 Fe3+初始浓度对电吸附效果的影响

溶液中Fe3+的初始浓度也是影响吸附效果的重要因素之一。图2为1.5 V电压、25 ℃温度、pH值未调条件下，Fe3+的初始浓度(0.25 mmol/L，0.5 mmol/L，1 mmol/L，1.5 mmol/L和2 mmol/L)对电吸附Fe3+去除率的影响曲线。由图2可知，在不同Fe3+初始浓度下，随着电吸附时间的延长，Fe3+去除率都逐渐升高，且Fe3+的初始浓度越低，达到吸附平衡后，Fe3+最终去除率越高。根据活性炭纤维电极质量与Fe3+去除量计算，Fe3+初始浓度为0.25 mmol/L，0.5 mmol/L，1 mmol/L，1.5 mmol/L和2 mmol/L时，活性炭纤维的吸附容量分别为0.017 mmol/g，0.030 mmol/g，0.051 mmol/g，0.054 mmol/g和0.056 mmol/g。可见，随着Fe3+初始浓度的增加，虽然Fe3+去除率降低，但活性炭纤维的吸附容量升高。

图2 不同初始浓度下Fe3+去除率随时间变化曲线

2.3 pH值对电吸附效果的影响

pH值影响离子在溶液中的存在状态，所以测试了溶液pH值分别为3.0，6.0和8.0时，在电压1.5 V，温度25 ℃，Fe3+离子初始浓度为1 mmol/L的条件下，Fe3+去除率随时间变化的情况，结果如图3所示。由图3可知，当溶液pH值为3.0和6.0时，溶液中Fe3+去除率无明显区别，而当溶液pH值进一步升高至8.0时，Fe3+去除率迅速升高。这可能是因为在高pH值下，部分Fe3+形成以胶体形式存在的Fe(OH)3，更有利于Fe3+的去除。

图3 不同pH值下Fe3+去除率随时间变化曲线

2.4 温度对电吸附效果的影响

在电压为1.5 V，Fe3+初始浓度为1 mmol/L，pH值未调的情况下，研究温度对Fe3+去除率的影响，结果如图4所示。由图4可知，随着温度的升高，Fe3+去除率先升高，后下降。这可能是因为，随着温度的升高，溶液中离子运动速度加快，有利于在短时间内快速去除离子，但当温度过高(40 ℃)时，可能会使溶液中水蒸发加快，溶液离子浓度升高，Fe3+浓度降低较慢。

图4 不同温度下Fe3+去除率随时间变化曲线

2.5 电极再生

电吸附过程的一大优点是将电极反接或断电即可实现电极再生。图5为活性炭纤维电吸附Fe3+四个循环的吸附和脱附情况。由图5可知，与第一个循环相比，第二个循环中的吸附率略有下降，而脱附率上升。之后，吸附率和脱附率均没有明显变化，说明电吸附Fe3+之后的活性炭纤维电极具有良好的再生性。

图5 活性炭纤维电极对Fe3+电吸附/脱附循环

3 结论

(1)电压越高，电吸附Fe3+去除率越大。当吸附平衡时，1.8 V电压下Fe3+去除率约为0.9 V时的1.5倍。

(2)随着Fe3+初始浓度的增大，Fe3+去除率逐渐下降，但Fe3+在单位质量活性炭纤维上的吸附容量却逐渐上升。

(3)溶液的pH值偏碱性时，Fe3+的去除率较高。

(4)随着温度的升高，Fe3+的去除率升高，但温度过高，由于溶液蒸发严重，Fe3+浓度降低较慢。

(5)第二个吸附/脱附循环与第一个循环相比Fe3+的吸附率和脱附率有变化外，之后的循环均无明显变化，说明活性炭纤维电吸附Fe3+具有良好的再生性。

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(责任编校：李秀荣)

A Study on Electro-adsorption of Fe3+in Water

HUANG Cheng-si， SU Bin， DUAN Xiao-yue

(School of Environmental Science and Engineering， Jilin Normal University， Siping 136000， China)

In this study， the activated carbon fiber electrodes are used to remove Fe3+in water by electro-adsorption and the influence of voltage，initial concentration of Fe3+， pH value， and temperature on the removal ratio of Fe3+is investigated. The results show that， with the increasing voltage， the Fe3+removal ratio increases， that the bigger the initial concentration of Fe3+is ， the smaller the Fe3+removal ratio is， but the adsorption capacity of the activated carbon fiber increases， that when the pH of the solution is alkaline， Fe3+removal ratio increase with rising temperature ， but when the temperature is higher than 40 ℃， Fe3 +concentration decreases slowly due to the evaporation of the solution. In addition， testing of the regeneration of activated carbon fiber indicates that the activated carbon fiber electrode， after used for electro-adsorption of Fe3+， has good reproducibility.

activated carbon fiber；electro-adsorption； Fe3+； regeneration

O657.13

A

1672-349X(2015)06-0054-03

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.06.020