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改性碳电极对模拟放射性废水中钴离子的电吸附性能研究

摘要

随着科技的发展和能源危机的加剧，人们对核能的需求在不断增加，但核能利用过

程中会产生大量的放射性废液，威胁大众健康与环境安全。因此，如何有效处理放射性

废液对于核能的发展至关重要。电容去离子（CDI）是近年来开发的一种新的放射性废

液处理技术，是一种低能耗、高去除率、环境友好的方法。电极的设计和开发是提高CDI

性能的主要方法。本文旨在通过改善电极材料的表面形貌和结构、制备功能化的电极材

料并搭配不同的电极来提高Co2+的电吸附效率。

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采用商用活性炭纤维毡（ACFF）为基本材料，使用3mol·LKOH溶液对其进行改

性，得到KOH改性活性炭纤维毡（ACFF-KOH）。探究了两电极均为ACFF-KOH时，

CDI除钴的影响因素和机理，结果表明：电吸附的最佳pH为5，最佳电压为1.6V，最

佳循环流量为20mL·min-1。当存在竞争离子时，Co2+的去除率降低。ACFF-KOH具有

良好的循环性能，循环6次后去除率仍保持在85%以上。动力学模型（伪一阶和伪二阶

动力学模型）拟合结果表明，化学吸附是电吸附过程中的速率限制步骤。根据吸附等温

线模型（Langmuir等温线和Freundlich等温线）拟合结果，ACFF-KOH电极对Co2+的

主要吸附机制为单层吸附，最大吸附容量为98.43mg·g-1，比ACFF电极（76.39mg·g-1）

提高了29%。BET结果表明KOH改性改善了ACFF的孔隙参数。XPS和XRD结果表

明，电吸附后电极表面产生了Co(OH)2晶体。

采用磺化聚醚醚酮涂覆活性炭纤维毡（ACFF-SPEEK）为阳极，原始ACFF为阴极，

进行非对称电吸附（S-CDI）实验。SPEEK涂覆在ACFF表面引入了大量带正电的官能

团，而ACFF呈现负电荷表面，从而增大了电极之间的电势，提高了Co2+的驱动力，同

时削弱了同离子排斥效应，从而使S-CDI的除钴性能远优于两极均为ACFF的组合。S-

CDI除钴的影响因素研究表明：最佳电压为1.2V，最佳pH为5，最佳循环流量为20

mL·min-1。当存在竞争离子时，Co2+的去除率降低。根据动力学模型的拟合结果，S-CDI

过程中的速率限制步骤为化学吸附。吸附等温线模型拟合结果表明，非对称电极对Co2+

的主要吸附机制为单层吸附，Co2+的最大吸附容量为119.76mg·g-1，是两极均为ACFF

组合的1.72倍。XPS和XRD结果表明，电吸附后电极表面产生了Co(OH)2晶体。

关键词：改性碳电极；放射性废水；钴离子；电吸附；活性炭纤维毡

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改性碳电极对模拟放射性废水中钴离子的电吸附性能研究

Abstract

Astechnologyadvancesandtheenergycrisisintensifies,thedemandfornuclearpoweris

constantlyraising.However,theprocessofnuclearenergyutilizationinevitablygenerates

radioactiveeffluent,whichthreatenspublichealthandenvironmentalsafety.Therefore,howto

effectivelytreatradioactiveeffluentiscrucialtothedevelopmentofnuclearenergy.Capacitive

deionization(CDI)isanewradioactiveeffluenttreatmenttechnologydevelopedinrecentyears.

CDIisalowenergyconsum