技术摘要：
本发明提供了一种有机材料、BDI系统及用于水体金属离子的去除，所述金属离子去除有机材料的制备方法包括：将醌类单体和硫化物置于溶剂中反应，得到所述有机材料；该有机材料为具有氧化还原官能团的有机聚合物材料，由于其非刚性的结构，不受非离子选择的限制，在不同的  全部
背景技术：
水是人类赖以生存的基本物质，随着我国经济的高速发展，淡水资源紧缺和重金 属水污染问题逐渐凸显。通过合适的技术方法对海水和重金属污水进行离子去除，可以有 效地解决淡水资源紧缺和重金属水污染问题，加快我国的生态文明建设和人民生活品质的 提高。海水淡化需要去除海水中的钠离子、镁离子、钾离子和钙离子等金属离子。水体重金 属污染则主要来自于电镀业、机械加工、矿山开采、有色金属冶炼等，主要包含铬离子、钴离 子、镍离子、铜离子、锌离子、砷离子、铅离子、镉离子、汞离子等。目前的海水淡化技术(电渗 析、反渗透、蒸馏等)以及重金属污水处理技术(吸附、共沉淀、生物吸收等)在成本、能耗、有 无二次污染、金属离子去除多样性等方面存在不足。 电化学金属离子去除技术因具有低能耗、高容量、电子无二次污染，可循环等优 势，在电容式和体相法拉第电化学金属离子去除方面具有良好的应用前景。然而，1966年报 道的双电层电容式离子去除电化学法，由于电极材料比表面积和孔道结构的限制，存在着 金属离子去除容量低的问题。2012年提出的电池式离子去除技术(BDI)基于法拉第电化学 反应的体相反应，具有金属离子去除容量高的优点。但是目前适用此类技术的无机材料具 有离子去除单一性问题，仅仅适用去除钠离子。 因此，提供一种能够同时去除多种金属离子，且去除容量高的电化学金属离子去 除系统，对于污废水、海水淡化、饮用水等的金属离子去除具有重要的应用价值。
技术实现要素：
针对现有技术的金属离子去除容量低和去除离子单一性的不足，本发明的目的在 于提供一种有机材料、BDI系统及用于水体金属离子的去除，该有机材料为具有氧化还原官 能团的有机聚合物材料，由于其非刚性的结构，不受非离子选择的限制，在不同的金属离子 体系中均可发生可逆的电化学氧化还原反应，并能够与溶液中的金属离子配位形成配合物 从而达到去除金属离子的目的；将该有机材料用于电化学金属离子去除系统中，能够有效 除去水源中的多种金属离子，且具有较高的去除容量，并能够循环使用，所述BDI系统主要 包括金属离子去除用聚合物工作电极和阴离子去除用对电极，所述BDI系统可广泛应用于 海水淡化、污废水金属离子去除等领域，从而具有广阔的应用前景。 本发明的目的之一在于提供一种水体金属离子去除用聚合物活性材料的制备方 法，所述有机材料的制备方法包括：将醌类单体和硫化物置于溶剂中反应，得到所述有机材 料。 4 CN 111607085 A 说　明　书 2/8 页 本发明中有机材料的制备方法简单，原料易得，价格低廉，易于实现，便于工业大 规模的生产应用。 在本发明中，所述醌类单体包括被氨基和/或卤素取代的萘醌、菲醌、蒽醌或苯醌 中的任意一种或至少两种的组合。 在本发明中，所述醌类单体包括2,6-二氨基醌、2,4-二氯蒽醌、1,5-二氯蒽醌、四 氯苯醌或二氯氢醌中的任意一种或至少两种的组合。 在本发明中，所述硫化物包括硫化锂和/或硫化钠。 在本发明中，所述溶剂包括四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲 基亚砜或二甲基乙酰胺中的任意一种或至少两种的组合。 在本发明中，所述醌类单体和硫化物的质量比为(0.5-1):(1-3)，例如0.5:3、0.6: 2.5、0.7:2、0.8:1.5、0.9:1、1:1等。 在本发明中，所述反应的温度为160-250℃(例如160℃、170℃、180℃、190℃、200 ℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃等)，反应的时间为3-10h(例如3h、4h、5h、6h、7h、8h、 9h、10h等)。 在本发明中，所述制备方法还包括将反应后得到的反应物依次进行分离、清洗以 及干燥。 在本发明中，所述分离包括将反应后得到的反应物进行过滤，去除滤液，得到固态 沉淀物。 在本发明中，所述清洗包括用水和乙醇的混合物进行清洗。 本发明的目的之二在于提供一种如目的之一所述的制备方法制备得到的有机材 料。 本发明得到的有机材料为具有氧化还原官能团的有机聚合物材料，由于其非刚性 的结构，不受非离子选择的限制，在不同的金属离子体系中均可发生可逆的电化学氧化还 原反应，并能够与溶液中的金属离子配位形成配合物从而达到去除金属离子的目的。 在本发明中，所述活性材料为多孔结构，所述多孔结构的孔道尺寸为2-40nm(例如 2nm、5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm等)，所述多孔结构的孔隙体积为0.1- 0.15cm3/g。 本发明中活性材料为多孔结构，能够实现较快的水合离子传输，具有较大的比表 面积，利于溶液浸润。 在本发明中，所述有机材料的数均分子量为5-10万，例如5万、6万、7万、8万、9万、 10万等。 在本发明中，所述有机材料中硫的含量为10-16wt％，例如10wt％、11wt％、 12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％等。 本发明的目的之三在于提供一种电极浆料，所述电极浆料包括目的之二所述的有 机材料。 在本发明中，所述活性浆料还包括导电剂、粘结剂以及溶剂。 在本发明中，所述导电剂包括乙炔黑和/或碳纳米管。 在本发明中，所述粘结剂为聚偏氟乙烯和/或聚四氟乙烯。 在本发明中，所述溶剂为乙醇和/或N-甲基吡咯烷酮。 5 CN 111607085 A 说　明　书 3/8 页 在本发明中，所述的电极浆料的制备方法，所述制备方法包括：将有机材料、导电 剂以及粘结剂溶于溶剂中，混合，得到所述电极浆料。 在本发明中，所述混合是在搅拌条件下进行的。 在本发明中，所述混合的速率为300-800rpm(例如300rpm、350rpm、400rpm、 450rpm、500rpm、550rpm、600rpm、650rpm、700rpm、750rpm、800rpm等)，所述混合的时间为1- 5h(例如1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、5h等)。 本发明的目的之四在于提供一种电极片，所述电极片包括集流体以及设置在集流 体表面的电极浆料层，所述电极浆料层用浆料为目的之三所述的电极浆料。 在本发明中，所述集流体包括不锈钢、碳布或碳纸中的任意一种。 在本发明中，所述电极浆料层的厚度为0.5-1.5μm，例如0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μ m、0.9μm、1μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm等。 在本发明中，所述的电极片的制备方法，所述制备方法包括将电极浆料涂覆到集 流体表面，固化，得到所述电极片。 在本发明中，所述涂覆的方式为刮涂。 在本发明中，所述固化的温度为60-100℃(例如60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85 ℃、90℃、95℃、100℃等)，固化的时间为8-12h(例如8h、8.5h、9h、9.5h、10h、10.5h、11h、 11.5h、12h等)。 本发明的目的之五在于提供一种BDI系统，所述BDI系统包括工作电极和对电极， 所述工作电极为目的之四所述的电极片，所述对电极选自碳类材料、铋基材料、银基材料或 铝基材料中的任意一种或至少两种的组合。 优选地，所述对电极和参比电极各自独立地选自活性炭、介孔碳、碳纳米管、氯氧 铋、单质铋、氧化铋或氯化银中的任意一种或至少两种的组合。 在本发明中，所述BDI系统的工作电极用于去除水溶液中的金属离子，对电极去除 水溶液中的阴离子。 本发明中BDI系统包括有机材料，有机材料在不同的金属离子体系中均可发生可 逆的电化学氧化还原反应，并能够与溶液中的金属离子配位形成配合物，从而达到去除金 属离子的目的，并具有较高的去除容量，且能够循环使用。 在本发明中，所述金属离子包括钠离子、镁离子、钾离子、钙离子、铬离子、钴离子、 镍离子、铜离子、锌离子、砷离子、铅离子、镉离子或汞离子中的任意一种或至少两种的组 合。 本发明的目的之六在于提供一种电化学金属离子去除系统，所述电化学金属离子 去除系统包括目的之五所述的BDI系统。 本发明的目的之七在于提供一种目的之六所述的电化学金属离子去除系统在去 除水体中的金属离子中的应用。 在本发明中，所述金属离子包括钠离子、镁离子、钾离子、钙离子、铬离子、钴离子、 镍离子、铜离子、锌离子、砷离子、铅离子、镉离子或汞离子中的任意一种或至少两种的组 合。 在本发明中，所述水体包括河水、海水、饮用水或工业废水中的任意一种。 在本发明中，所述应用包括：先通过BDI系统去除水体中的目标离子，其次根据水 6 CN 111607085 A 说　明　书 4/8 页 体中金属离子的浓度或电化学反应过程中的电荷转移计算金属离子的去除容量，而后通过 金属离子的去除容量调节BDI系统中工作电极和对电极的设置，从而去除水体中的金属离 子。 优选地，所述水体中金属离子的浓度为50-50000ppm，例如50ppm、1000ppm、 3000ppm、5000ppm、8000ppm、10000ppm、20000ppm、30000ppm、40000ppm、50000ppm等。 本发明中金属离子的浓度是指水体中金属离子的总浓度。 优选地，所述BDI系统的工作电压为-3～3V(例如-3V、-2V、-1V、0V、1V、2V、3V等)， 工作电流密度为20-2000mA/g(例如20mA/g、50mA/g、100mA/g、300mA/g、500mA/g、800mA/g、 1000mA/g、1200mA/g、1500mA/g、1800mA/g、2000mA/g等)。 在本发明中，所述BDI系统中工作电极和对电极的质量比为(1-0.5):(1-2)，例如 1:1、0.9:1.2、0.8:1.4、0.7:1.6、0.6:1.8、0.5:2等。 相对于现有技术，本发明具有以下有益效果： 本发明中有机材料为具有氧化还原官能团的有机聚合物材料，由于其非刚性的结 构，不受非离子选择的限制，在不同的金属离子体系中均可发生可逆的电化学氧化还原反 应，并能够与溶液中的金属离子配位形成配合物从而达到去除金属离子的目的；将该有机 材料用于电化学金属离子去除系统中，能够有效除去水源中的金属离子，且具有较高的去 除容量(对于水体中金属离子的总浓度为50-50000ppm计，金属离子的去除容量可达120mg/ g)，并能够循环使用；所述BDI系统主要包括金属离子去除用聚合物工作电极和阴离子去除 用对电极，所述BDI系统可广泛应用于海水淡化、污废水金属离子去除等领域，从而具有广 阔的应用前景。 附图说明 图1为实施例1得到的聚合物醌类活性材料的扫描电子显微镜图，标尺为1μm； 图2为实施例1得到的聚合物醌类活性材料N2吸附-脱附曲线图； 图3为实施例1中电化学金属离子去除系统去除水体溶液中金属离子的电化学循 环测试图。