1.本发明属于水处理与金属资源化回收领域，具体涉及的是一种利用多孔三维木基电极去除和回收水中重金属的方法。


背景技术：

2.随着金属冶炼、机械加工和矿山开采等工业的快速发展，含有铜、铀、银、镉、铬、镍、锌和铅等重金属废水的排放量日益增加，对人体健康和生态环境造成了极大的威胁。同时，上述重金属又是宝贵的工业资源，具有很高的回收再利用价值。因此，开发经济有效的重金属去除和回收技术在环境保护和资源回收两方面都具有重要的意义。
3.目前废水中重金属的处理方法主要有吸附法、化学沉淀法、生物法和电化学还原法等。吸附法具有操作简单、处理效率好等优点，但所需的高效吸附剂通常制作复杂，成本较高，且难以重复利用。化学沉淀法由于需要添加化学药剂，容易造成二次污染。生物法驯化和处理周期较长，且难以实现重金属的回收利用。电化学还原法具有处理效果好、操作简单、能够实现重金属高效回收等优点，在重金属去除和回收方面展现出巨大潜力。电化学还原法目前仍存在电极反应活性低、还原容量小等问题，制约了电化学还原法在重金属去除和回收领域的广泛应用。因此，亟需开发经济高效的电化学去除和回收重金属技术方法。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种利用多孔三维木基电极去除和回收水中重金属的方法，多孔三维木基电极保留了木材独特的三维立体结构，具有良好的导电性能；多孔三维木基电极可以克服传统电极电极反应活性低、还原容量小等缺点，实现重金属的高效去除和回收。
5.本发明首先提供了一种多孔三维木基电极在去除和/或回收废水和/或地下水中重金属的应用。
6.所述多孔三维木基电极的制备方法，包括如下步骤：清除木材表面树皮，按照预定尺寸将木材切割成所需形状；将切割好的木片放入管式炉中，将所述管式炉中的空气替换为惰性气体，同时将管式炉加热煅烧，即得到所述多孔三维木基电极。
7.其中，所述木材为椴木、木荷木、白杨木或杉木。
8.所述煅烧步骤中，温度为800～1000℃；时间为1～5h；具体可为1000℃下煅烧2小时。
9.所述惰性气体为氮气、氦气或氩气。
10.进一步的，本发明还提供了一种利用多孔三维木基电极去除废水和/或地下水中重金属的方法，包括：以多孔三维木基电极为阴极，以稳定且导电性好的材料为阳极，对含有重金属的废水和/或地下水进行电化学还原，重金属在所述多孔三维木基电极表面还原后沉积，完成废水和/或地下水中重金属的去除。
11.上述的方法中，所述电化学还原步骤中，直流电源的电压为1～5v；具体可为2～4v或3v；还原时间为0.5～24小时；具体可为2～8小时；温度为室温；
12.所述含有重金属的废水和/或地下水的ph值为1.0～10.0；具体为7.0。
13.上述的方法中，所述电化学还原在常温常压下进行；所述常压指的是一个大气压，也就是我们平常生活的这个大气层产生的气体压力。
14.上述的方法中，所述阳极的材料为石墨、碳棒、不锈钢、钛、镍和铜中的一种；
15.所述含有重金属的废水和/或地下水中含有铜(cu
2+
)、铀(u
6+
)、银(ag
+
)、金(au
3+
)、镉(cd
2+
)、铬(cr
6+
)、镍(ni
+
)、锌(zn
2+
)、铅(pb
2+
)等可还原重金属中的一种或几种。
16.上述的方法中，所述废水和/或地下水中重金属的浓度为0.001～10mm；具体可为0.01～1mm。
17.上述的方法中，所述铀(u
6+
)以稳定的碳酸铀酰钙配合物形式、碳酸铀酰配合物形式或铀酰离子形式存在于废水和/或地下水中，具体为碳酸铀酰钙配合物形式。
18.本发明还提供了一种回收多孔三维木基电极表面重金属的方法，包括：将上述方法中得到的表面富集有重金属的多孔三维木基电极置于酸性回收溶液中进行氧化回收。
19.上述的方法中，所述酸性回收溶液为硝酸；所述硝酸的质量百分浓度为1～50％，具体可为20％。
20.上述的方法中，所述氧化回收的反应时间为0.5～24小时，具体可为12～24小时、12小时或24小时；反应温度为室温。
21.本发明还提供了一种利用多孔三维木基电极去除和回收废水和/或地下水中重金属的方法，包括上述的去除废水和/或地下水中重金属的方法和上述的回收多孔三维木基电极表面重金属的方法。
22.本发明还提供了一种多孔三维木基电极再生的方法，包括：将上述去除废水和/或地下水中重金属的方法中得到的表面富集有重金属的多孔三维木基电极置于酸性回收溶液中进行氧化回收重金属，得到再生多孔三维木基电极；
23.具体的，所述酸性回收溶液为硝酸；所述硝酸的质量百分浓度为1～50％；
24.所述氧化回收重金属的反应时间为0.5～24小时，反应温度为室温。
25.本发明中提到的室温为本领域技术人员已知的温度，一般为15～35℃，具体可为25℃。
26.本发明的方法适用于水中含有不同种类、不同浓度、不同配位形式重金属的去除和回收。
27.本发明的原理：
28.高价态的重金属离子通常具有较高的氧化还原电位，得电子能力较强，在电化学体系中容易被阴极还原为稳定的金属单质或金属氧化物并沉积在阴极表面。多孔三维木基电极本身具有均匀的蜂窝状多孔结构，极大增加了电极的比表面积；其独特的结构和优异的电催化性能为重金属离子的还原提供丰富的活性位点和巨大的负载容量，克服了传统电极电极反应活性低、还原容量小等缺点，可实现重金属的高效电化学还原富集，富集结束后只需将电极从溶液中取出即可实现重金属的去除过程。在多孔三维木基电极表面形成的金属单质镀层或金属氧化物镀层很容易被酸性溶液洗脱重新回到溶液中，实现重金属的高效回收。同时，多孔三维木基电极本身具有耐酸性能，回收重金属后可多次循环利用。
29.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
30.1.本发明可实现对水体中一种或多种重金属离子的高效快速去除和回收，无需进
行网捕等复杂步骤，操作简单方便，成本低，无二次污染，处理量大；
31.2.多孔三维木基电极具有独特的三维立体结构使其具有非常巨大的比表面积，因此，电极具有巨大的重金属还原去除容量；
32.3.多孔三维木基电极独特的结构和优异的导电性使其具有较强的电催化还原重金属效果，在较低电压下即可实现对重金属的高效去除；
33.4.应用范围广，本发明对不同浓度重金属污染水体均具有较好的去除和回收效果；
34.5.本发明ph适用范围较广，对于ph在1.0～10.0范围内的废水无需调节初始ph值，即可获得较好的去除和回收效果；
35.6.解决了重金属离子易形成的配位化合物从而难以去除的问题；例如，对于铀这种易与碳酸根和钙离子形成稳定的碳酸铀酰钙配合物的重金属来说，该方法具有非常优异的去除效果。
具体实施方式
36.下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
37.下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
38.下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
39.下述实施例中的所用多孔三维木基电极的制备方法如下：
40.清除椴木表面的树皮等杂质，随后将木材切割成4cm
×
4cm
×
0.2cm(长度
×
宽度
×
厚度)的薄片；将切割好的木材薄片放入管式炉中，同时将管式炉中的空气替换为氩气气体；设置管式炉温度为1000℃，烧制2小时后，即得到所需的多孔三维木基电极。
41.实施例1、某含铜废水
42.将50ml含铜废水(cu(ii)浓度约为1mm，ph值为7.0)加入到反应器中，以多孔三维木基电极为阴极，钛片电极为阳极，调节直流电源的电压为3v，在常温常压环境中进行电化学还原。反应8小时后，水中铜离子的浓度降低至0.019mm，铜离子的去除效率为98.1％。
43.在常温常压环境中，将表面富集铜的多孔三维木基电极放入50ml质量分数为20％的稀硝酸溶液中进行氧化回收，静置12小时后完成电极再生和铜的回收，铜的回收率达到98.0％以上，电极可重复利用。
44.实施例2、某含银离子废水
45.将50ml含银废水(ag(i)浓度约为1mm，ph值为7.0)加入到反应器中，以多孔三维木基电极为阴极，钛片电极为阳极，调节直流电源的电压为3v，在常温常压环境中进行电化学还原。反应2小时后，水中银离子的浓度降低至0.013mm，银离子的去除效率为98.7％。
46.在常温常压环境中，将表面富集银的多孔三维木基电极放入50ml质量分数为20％的稀硝酸溶液中进行氧化回收，静置12小时后完成电极再生和银的回收，银的回收率达到97.0％以上，电极可重复利用。
47.实施例3、某含铀地下水
48.将50ml含铀废水(u(vi)浓度约为0.01mm，碳酸盐浓度约为2mm，钙离子浓度为1mm，ph值为7.0，u(vi)以稳定的碳酸铀酰钙配合物形式存在)加入到反应器中，以多孔三维木基
电极为阴极，钛片电极为阳极，调节直流电源的电压为3v，在常温常压下进行电化学还原。反应8小时后，水中铀的浓度降至0.00052mm，铀的去除率为94.8％。
49.在常温常压环境中，将表面富集铀的多孔三维木基电极投入50ml质量分数为20％的稀硝酸溶液中进行氧化回收。静置24小时后完成电极再生和铀的回收，铀回收率达到98.0％以上，电极可重复利用。