基于树脂-碳基复合电极的钒选择性电容吸附研究

The separation and recovery of vanadium from vanadium-containing leachate is an important challenge in the current vanadium extraction field. Capacitive adsorption is a novel separation technique with low energy consumption, high efficiency, easy operation and so on. However, it has been only applied in desalination for a long time due to its poor adsorption selectivity to ions. In recent years, some studies have found that the capacitive adsorption can selectively adsorb certain ions by means of electrode recombination or electrode modification. Our preliminary studies also show that the ion exchange resin-activated carbon composite electrode can present strong selective adsorption of vanadium ions in capacitive adsorption. Therefore, this project uses different resins and activated carbon to prepare resin-activated carbon composite electrodes, studies the effects of resin and activated carbon characteristics and preparation methods on the properties of the composite electrodes, explores the adsorption-desorption characteristics of vanadium and main impurity ions in the vanadium-containing complex leachate, discusses the main controlling factors that affect the selective adsorption of vanadium, improves the adsorption theory of ions, and clarifies the selective adsorption mechanism of vanadium on the composite electrodes. This project has important theoretical and practical value for the separation and recovery of vanadium by capacitive adsorption technology, and can also provide new ideas for the separation and enrichment of ions in other fields.

从含钒浸出液中分离富集钒是当前提钒领域的重要难题。电容吸附是一种新型的离子分离技术，具有能耗低、效率高、操作简便等特点，但由于电容吸附的选择性较差，因而很长时间内其仅作为一种脱盐方法而被关注。近年来，一些研究发现通过电极复合或改性的方法可以使电容吸附对某些离子产生选择性吸附能力。本课题组的前期研究也表明离子交换树脂-活性炭复合电极对钒离子具有较强的选择性吸附能力。因此，本项目利用不同树脂和活性炭制备树脂-活性炭复合电极，研究树脂和活性炭特性及制备方法对电极性能的影响，揭示复杂浸出液中钒和主要杂质离子在电容吸附过程中的吸附-脱附特征，探究影响钒选择性吸附的主要控制因素，完善离子在树脂-碳基复合电极上的吸附理论，阐明钒的选择性吸附机理。本项目对于电容吸附技术在钒的分离富集中的应用具有重要的理论意义与实际价值，也可为其他领域离子的分离富集提供新的思路。

我国是钒资源大国，采用湿法浸出方式从含钒页岩中提取钒是目前我国钒生产的重要方式之一。由于酸浸过程不具有选择性，含钒酸浸液中存在有大量的杂质金属元素，从含钒浸出液中分离富集钒是当前提钒领域的重要难题。电容吸附是一种新型的离子分离技术，具有能耗低、效率高、操作简便等特点。因此，本项目利用不同树脂和活性炭制备树脂-活性炭复合电极，研究树脂和活性炭特性及制备方法对电极性能的影响，揭示复杂浸出液中钒和主要杂质离子在电容吸附过程中的吸附-脱附特征，探究影响钒选择性吸附的主要控制因素，完善离子在树脂-碳基复合电极上的吸附理论，阐明钒的选择性吸附机理。项目取得的主要研究结论如下：（1）D860-活性炭复合电极（D860/AC）中树脂粒度的大小直接影响电极比表面积及孔隙结构，一定的粒度范围内，树脂粒径越大，所制备的电极比表面积及孔体积越大，从而有利于提高电极对四价钒（V(IV)）的吸附能力。此外，电极吸附性能与孔结构也密切相关，复合电极中介孔的含量与钒的饱和吸附量呈正比。（2）V(IV)在D860/AC上的吸附可分为两个阶段，吸附反应初期符合Weber-Morris颗粒内扩散模型及Dumwald-Wagner内扩散模型，速率常数与孔结构相关，吸附速率由内扩散过程控制；末期符合Boyd液膜扩散模型，吸附速率由液膜扩散控制。（3）树脂-活性炭复合电极吸附钒属于放热、熵减的过程。在外加电压的作用下完成吸附，该过程中物理吸附和化学吸附同时进行，以物理吸附为主。（4）非对称电容吸附过程中操作电压的提升可以提升钒的分离性能。电容吸附过程中，提高溶液pH值和降低操作电压可以显著降低溶液中钒的还原和能量损耗。（5）负载P507的ZIF-8衍生多孔碳/AC复合电极可以有效地将V与杂质离子分离。其中钒铁分离系数最高为43.55，钒铝分离系数最高为79.62。首次解吸后，电极的吸附性能保持97.9%，循环11次后，电极吸附性能保持有81.1%。