氯离子是工业高盐废水中最普遍的阴离子,高浓度Cl⁻会腐蚀设备、抑制生化。现有的除氯技术如蒸发和反渗透均为非选择性,成本高昂。电容去离子(CDI)是一种节能脱盐技术,传统活性炭电极选择性差,对阴离子的吸附受限于双电层。聚吡咯(PPy)是一种导电聚合物,可通过氧化还原反应(法拉第过程)实现对阴离子的可逆掺杂/脱掺杂,理论吸附容量高,且对特定离子有选择性。木质素磺酸盐(LS)是造纸黑液的主要成分,是一种含有大量磺酸基团的天然高分子电解质。将LS作为PPy的掺杂剂和交联剂,可以赋予PPy电极优异的亲水性、导电性和大量固定的负电荷(磺酸根),这有利于在还原时通过离子交换机制专一性地捕获阳离子。本研究的创新在于,利用PPy/LS电极掺杂的是固定负电荷这一特性,构建电极去捕捉带正电的离子(或通过膜的设计去捕捉Cl⁻)。更精妙的是,利用其法拉第过程,当施加特定电位时,PPy主链被氧化带正电,此时会吸引并掺杂Cl⁻离子来维持电中性。因此,通过调控电位,PPy/LS电极可以实现对Cl⁻离子的特效电控吸附与释放。
电化学测试显示,PPy/LS导电水凝胶在0.8V(vs. Ag/AgCl)电位下,对NaCl溶液中的Cl⁻展现了高达45mg/g的法拉第吸附容量,远高于活性炭。在含有高浓度SO₄²⁻(>5000mg/L)的混合盐体系中,PPy/LS电极对Cl⁻的吸附选择性系数远高于SO₄²⁻,这是因为PPy的氧化电位下,其对离子半径更小的Cl⁻(水合离子半径小于SO₄²⁻)具有更高的掺杂倾向。在多次“吸附-脱附”循环中,电极表现出了良好的稳定性。
该研究开创性地利用工业副产物木质素磺酸盐,成功制备了对Cl⁻具有高选择性、高容量的法拉第电极。这为从复杂高盐工业废水中选择性去除或回收氯离子,提供了一种低成本、高性能的电极材料,进一步拓宽了CDI技术在特定工业废水除盐领域的应用前景。
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