[发明专利]用于从水中提取/去除金属离子的电化学沉积

说明书

提供了一种从水中提取金属离子的方法，所述方法包括：将两个导电电极设置在水中，其中，水包含位于溶液中的目标离子物质，其中，至少一个导电电极是具有目标离子物质的物质特异性吸附的官能化电极，并且向导电电极提供电流以使得一种或多种目标离子物质通过一种或多种电化学反应在官能化电极处沉积为金属形式或金属氧化物。

发明领域

本发明涉及从海水中提取资源以及水处理。更具体地说，本发明涉及从海水中提取有价值的金属离子资源、或基于电化学提取从饮用水中去除有害离子的方法。

发明背景

在低离子浓度下从水中有效提取金属离子对于各种应用是令人感兴趣的，例如从海水中提取资源和水处理。然而，这通常是常规物理化学吸附的难题。特别是，吸附剂常常被感兴趣的阳离子和/或其它阳离子阻挡。

核能是没有温室气体排放的大规模且成熟的能源之一。其占美国2000年至2013年发电量的约20％，占全球发电量的13％。铀是核燃料的关键元素，因此铀的开采和回收至关重要。估计陆地中存在约500万吨铀，而海水中铀的含量几乎是陆地的1000倍。海水中的45亿吨铀的这一巨大数量可以供应数千年的核能。因此，有很强的动力开发从海水中提取铀的经济且节能的方法。

虽然海水中铀的量很大，但铀的浓度仅为～3ppb(3μg/L)。为了从高盐度背景中提取铀，海水是极具挑战的。海水铀提取方法的一般评价标准是容量、动力学和选择性。目前现有技术的吸附剂材料是基于胺肟的聚合物。据报道，具有最高容量的胺肟聚合物吸附剂在模拟海水中的容量为～200mg/g，在56天的海洋试验中的容量为3.3mg/g。为了提高吸附剂的容量，许多研究人员都集中在探索具有较高的表面积或更好的表面性能的材料，包括无机氧化物/硫化物、基于蛋白质/生物质的吸附剂、金属有机骨架和碳基吸附剂。然而，物理化学吸附有几个固有的限制：(1)由于海水中铀浓度低，铀酰离子向吸附剂表面的扩散很慢。(2)所吸附的阳离子是正电荷的，并且由于库仑排斥，将会排斥进入的铀离子。因此，一大部分表面活性位点将是不易接近的(图1A)。(3)其它阳离子(如钠和钙)的浓度比铀高许多个数量级，这导致对于吸附活性位点的激烈竞争。当不期望的物质被吸附到吸附剂表面上时，将会阻挡所述活性位点，并减少铀的容量(图1B)。

所需要的是一种从海水中提取有价值的金属离子资源、或基于电化学提取从饮用水中去除有害离子的设备和方法。

发明内容

为了解决本领域中的需求，提供了一种从水中提取金属离子的方法，所述方法包括：将两个导电电极设置于水中，其中，水包含位于溶液中的目标离子物质，其中，至少一个导电电极是具有目标离子物质的物质特异性吸附的官能化电极，并且向导电电极提供电流以使得一种或多种目标离子物质通过一种或多种电化学反应在官能化电极处沉积为金属形式或金属氧化物。

根据本发明的一个方面，电流包括交流电流或直流电流。

在本发明的另一方面中，所述导电电极是基于碳的材料，其包括碳毡、碳纤维、碳纳米管、炭黑、活性炭、石墨板、石墨烯、或氧化石墨烯。

根据本发明的另一方面，所述电极用基于胺肟的化学品进行官能化。

在本发明的另一方面中，电极上的电压在负值和零之间交替变化。

根据本发明的一个方面，水包括海水、湖水、河水、生活废水、工业废水或饮用水。

根据本发明的一个方面，目标离子物质可以包括：铀、钒、铜、银、金、镉、铅、汞、钴、铑、铱、镍、钯、铂和稀土金属。