本發(fā)明涉及一種增強型活性炭電容脫鹽電極的制備方法，屬于電容型脫鹽電極制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明制備的脫鹽電極具有離子選擇性，脫鹽效率高等優(yōu)勢，可用于海水和苦咸水的淡化，為低成本、低能耗、高性能脫鹽提供了新途徑。
背景技術(shù)：
近年來，工業(yè)發(fā)展，經(jīng)濟增長等造成的資源短缺等問題日益嚴(yán)峻，淡水資源短缺成為我們面臨的一個巨大挑戰(zhàn)，為解決這一問題，研究發(fā)明一種低成本，低能耗，效率高，無污染的海水淡化方法成為一個熱點研究課題。電容脫鹽技術(shù)是海水或苦咸水淡化的有效途徑。由于傳統(tǒng)的電容脫鹽技術(shù)受到同性離子的干擾，脫鹽過程中吸附和脫附過程同時進行，這就降低了脫鹽效率，增加了脫鹽能耗，對電極的循環(huán)再生產(chǎn)生不利影響。而新興起的膜電容脫鹽技術(shù)是在正負(fù)電極板前加入陰陽離子交換膜，溶液中的陽離子只能通過陽離子交換膜被吸附在陰極表面，而陰離子通過陰離子交換膜被吸附在陽極表面，在這個過程中，沒有同性離子的干擾，吸脫附效率大大提高，電極得到良好的再生，有利于促進脫鹽電極的循環(huán)使用。但是陰陽離子交換膜的成本比較高，無法實現(xiàn)大規(guī)模的使用。因此依據(jù)膜電容脫鹽的基本原理，我們可以在材料上尋求突破與創(chuàng)新，目前對碳電極材料進行改性或修飾，使得碳材料具有類似于離子交換膜的離子選擇性行為，成為一種增強型的電極材料，既可以增加電容脫鹽容量和脫鹽效率，同時可以簡化實驗裝置、降低生產(chǎn)成本。在電容脫鹽技術(shù)所用的電極材料中活性炭比較廉價易得，而且比表面積大，脫鹽效果良好。
本發(fā)明是對普通活性炭材料進行磺化和胺化處理，在磺化處理的活性炭上接枝磺酸根基團，從而在脫鹽過程中作為陰極吸附正價陽離陽離子；胺化處理的活性炭上接枝銨根基團，從而在脫鹽過程中作為陽極吸附負(fù)價陰離子。因此活性炭電極具有離子選擇性，能夠避免同離子的干擾，能夠有效地降低能耗，提高脫鹽效率和再生性能。是一種具有商業(yè)應(yīng)用前景的電容脫鹽材料。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種應(yīng)用雙電層電容型脫鹽法進行海水淡化處理的增強型活性炭電容脫鹽電極的制備方法。對廉價易得、高表面積、高導(dǎo)電性的、的活性炭分別進行胺化和磺化。改性后的活性炭電容型脫鹽電極材料不僅保持了活性炭的優(yōu)越性，還具有離子選擇性，能夠大大提高脫鹽效率和電極的再生性能。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)手段和措施來達到的：
一種增強型活性炭電容型脫鹽電極的制備方法，其特征在于以下的制備步驟：
1.電極材料的制備：
增強型活性炭電容型脫鹽電極陰極材料的制備：將活性炭用50wt%~80wt%的濃硝酸進行活化，活性炭與濃硝酸的質(zhì)量比為1:100~1:500，反應(yīng)溫度控制在50~100℃，回流攪拌3~5h，冷卻至室溫后進行抽濾，用去離子水洗滌至中性，于40~60℃烘箱中干燥，得到活化的活性炭；將對氨基苯磺酸在微熱的條件下溶解于一定量的5wt%NaOH溶液中，對氨基苯磺酸的濃度為0.2~0.6g/mL，加入預(yù)冷卻的濃鹽酸和冰水，濃鹽酸和冰水的體積比為3:10，在0~5℃下攪拌反應(yīng)10~30min，緩慢滴加亞硝酸鈉溶液，攪拌反應(yīng)15~30min，得到芳基重氮鹽；將活化后的活性炭超聲分散于一定量的水中，活性炭的濃度為2.5~10mg/mL，加入一定量的芳基重氮鹽，活化后的活性炭與芳基重氮鹽的質(zhì)量比為1:20~1:80，于0~5℃條件下攪拌反應(yīng)3~5h，抽濾并用去離子水洗滌數(shù)次，于40~60℃烘箱中干燥，得到磺化的活性炭；
增強型活性炭電容脫鹽電極陽極材料的制備：取上述步驟中活化后的活性炭超聲分散于丙酮中，活性炭的濃度為5~10mg/mL，加入一定配比的3-氨基丙基三乙氧基硅烷，活化后的活性炭與3-氨基丙基三乙氧基硅烷的質(zhì)量比為5:1~5:4，于40~80℃下攪拌至丙酮揮發(fā)完全，抽濾，并用丙酮洗滌數(shù)次，得到胺化的活性炭；
2.增強型活性炭電容脫鹽電極的制備：
將步驟1制備的胺化活性炭和磺化活性炭與粘接劑及相應(yīng)溶劑按照質(zhì)量比為80:20:240~90:10:270真空攪拌混合均勻后，涂覆到導(dǎo)電基底石墨紙上，隨后在100~120℃烘干；最終制得胺化活性炭和磺化活性炭的增強型電容脫鹽電極。
上述的硝酸活化活性炭的過程，濃硝酸和去離子水的質(zhì)量比為1:1~5:1的比例，活性炭與濃硝酸的質(zhì)量比為1:100~1:500，反應(yīng)溫度控制在50~100℃，回流攪拌時間3~5h，若加入濃硝酸比例過高，會使活性炭的孔道塌陷，降低比表面積；若加入濃硝酸比例過低，造成活性炭的活性位點較少，不利于下一步的胺化和磺化過程。
上述制備芳基重氮鹽的過程中，首先將對氨基苯磺酸溶解在5wt%的NaOH中，冰浴過程反應(yīng)溫度控制在0~5℃，當(dāng)溫度高于5℃時，芳基重氮鹽易分解，緩慢滴加NaNO2，若滴加過快則生成不可逆的偶氮化合物，由于芳基重氮鹽屬于反應(yīng)活性中間體，不宜放置時間過長，現(xiàn)用現(xiàn)配；另外活化后的活性炭與芳基重氮鹽的質(zhì)量比為1:20~1:80，若加入的重氮鹽過多則會阻塞孔道，導(dǎo)致比表面積下降，若重氮鹽的量過少，則活性炭上的磺酸基較少，不能有效提高脫鹽率。
上述胺化活性炭的過程中，活化后的活性炭與3-氨基丙基三乙氧基硅烷的質(zhì)量比為5:1~5:4，若加入的3-氨基丙基三乙氧基硅烷過多，則會使活性炭的比表面積下降，影響脫鹽性能，若3-氨基丙基三乙氧基硅烷的量較少，則活性炭上的氨基較少，不能有效提高脫鹽率。
本發(fā)明方法制備的改性活性炭的增強型電容脫鹽電極具有離子選擇性和高的比表面積，能夠有效提高脫鹽容量和電極的再生性能，該制備過程簡單、易于操作，在電容型脫鹽方面擁有潛在的應(yīng)用前景。
具體實施方式
現(xiàn)將本發(fā)明的具體實施例敘述于后。
實施例1
稱取3g活性炭于三頸燒瓶中，加入300mL 50wt%~80wt%的濃硝酸和300mL去離子水，于90℃下回流攪拌3h，冷卻至室溫后進行抽濾，用去離子水洗滌至中性，于60℃下干燥12h，得到活化后的活性炭。將10.5g對氨基苯磺酸在微熱的條件下溶解于5wt%NaOH溶液中，加入15mL預(yù)冷卻的濃鹽酸和50mL冰水，于0~5℃條件下攪拌反應(yīng)15min，滴加亞硝酸鈉溶液，反應(yīng)25min，得到芳基重氮鹽；將5g活化后的活性炭超聲分散于一定量的水中（濃度為3mg/mL），加入100g芳基重氮鹽，冰浴攪拌反應(yīng)1h，抽濾并用去離子水洗滌數(shù)次，于40℃烘箱中干燥，得到磺化的活性炭。
稱取5g活化后的活性炭超聲分散于丙酮中（濃度為5mg/mL），加入2.5g 3-氨基丙基三乙氧基硅烷，80℃下加熱攪拌至丙酮揮發(fā)，抽濾，丙酮洗滌數(shù)次后得到胺化的活性炭。
將所得的磺化活性炭和胺化活性炭分別與聚偏二氟乙烯粉末及N-甲基吡咯烷酮溶劑按照質(zhì)量比80:20:240混合均勻后涂覆到石墨紙上，隨后在120℃烘箱烘干。最終制得胺化活性炭和磺化活性炭的增強型電容脫鹽電極。
測試上述胺化活性炭和磺化活性炭的增強型電容脫鹽電極比電容。使用 CHI-660D 型電化學(xué)電化學(xué)工作站，電解質(zhì)為0.5M氯化鈉溶液，掃描速率為10mV/s，電壓范圍為-0.5V~0.5V；測得該電極的比電容分別大于47F/g，55F/g。上述制備的電極測試其脫鹽性能，在1000ppm的鹽水中，其脫鹽容量達到18mg/g，電荷效率達到78%，而未處理過的活性炭的脫鹽量只有11mg/g,電荷效率只有51%，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)增強型的活性炭電極材料的脫鹽效率明顯提高，能耗大大減小。
實施例2
稱取3g活性炭于三頸燒瓶中，加入400mL濃硝酸和300mL去離子水，于70℃下回流攪拌2h，冷卻至室溫后進行抽濾，用去離子水洗滌至中性，于60℃下干燥12h，得到活化后的活性炭。將10.5g對氨基苯磺酸在微熱的條件下溶解于5wt%NaOH溶液中，加入15mL預(yù)冷卻的濃鹽酸和50mL冰水，于0~5℃條件下攪拌反應(yīng)15min，滴加亞硝酸鈉溶液，反應(yīng)20min，得到芳基重氮鹽；將5g活化后的活性炭超聲分散于一定量的水中（濃度為6mg/mL），加入200g芳基重氮鹽，冰浴攪拌反應(yīng)2h，抽濾并用去離子水洗滌數(shù)次，于60℃烘箱中干燥，得到磺化的活性炭。
稱取5g活化后的活性炭超聲分散于丙酮中（濃度為8mg/mL），加入2.5g 3-氨基丙基三乙氧基硅烷，70℃下加熱攪拌至丙酮揮發(fā)，抽濾，丙酮洗滌數(shù)次后得到胺化的活性炭。
將所得的磺化活性炭和胺化活性炭分別與聚四氟乙烯乳液及乙醇溶劑按照質(zhì)量比90:10:255混合均勻后涂覆到石墨紙上，隨后在120℃烘箱烘干。最終制得胺化活性炭和磺化活性炭的增強型電容脫鹽電極。
測試上述胺化活性炭和磺化活性炭的增強型電容脫鹽電極比電容。使用CHI-660D型電化學(xué)電化學(xué)工作站，電解質(zhì)為0.5M氯化鈉溶液，掃描速率為10mV/s，電壓范圍為-0.5V~0.5V；測得該電極的比電容分別大于49F/g，58F/g。上述制備的電極測試其脫鹽性能，在1000ppm的鹽水中，其脫鹽容量達20mg/g,電荷效率達到82%，而未處理過的活性炭的脫鹽量只有12mg/g,電荷效率只有55%，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)增強型的活性炭電極材料的脫鹽效率明顯提高，能耗大大減小。
實施例3
稱取3g活性炭于三頸燒瓶中，加入600mL濃硝酸和300mL去離子水，于80℃下回流攪拌3h，冷卻至室溫后進行抽濾，用去離子水洗滌至中性，于60℃下干燥12h，得到活化后的活性炭。將10.5g對氨基苯磺酸在微熱的條件下溶解于5wt%NaOH溶液中，加入15mL預(yù)冷卻的濃鹽酸和50mL冰水，于0~5℃條件下攪拌反應(yīng)15min，滴加亞硝酸鈉溶液，反應(yīng)20min，得到芳基重氮鹽；將5g活化后的活性炭超聲分散于一定量的水中（濃度為3mg/mL），加入300g芳基重氮鹽，冰浴攪拌反應(yīng)3h，抽濾并用去離子水洗滌數(shù)次，于60℃烘箱中干燥，得到磺化的活性炭。
稱取5g活化后的活性炭超聲分散于丙酮中（濃度為5mg/mL），加入2.5g 3-氨基丙基三乙氧基硅烷，70℃下加熱攪拌至丙酮揮發(fā)，抽濾，丙酮洗滌數(shù)次后得到胺化的活性炭。
將所得的磺化活性炭和胺化活性炭分別與聚偏二氟乙烯粉末及N-甲基吡咯烷酮溶劑按照質(zhì)量比85:15:255混合均勻后涂覆到石墨紙上，隨后在120℃烘箱烘干。最終制得胺化活性炭和磺化活性炭的增強型電容脫鹽電極。
測試上述胺化活性炭和磺化活性炭的增強型電容脫鹽電極比電容。使用CHI-660D型電化學(xué)電化學(xué)工作站，電解質(zhì)為0.5M氯化鈉溶液，掃描速率為10mV/s，電壓范圍為-0.5V~0.5V；測得該電極的比電容分別大于52F/g，60F/g。上述制備的電極測試其脫鹽性能，在1000ppm的鹽水中，其脫鹽容量達22mg/g,電荷效率達到87%，而未處理過的活性炭的脫鹽量只有13mg/g,電荷效率只有58%，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)增強型的活性炭電極材料的脫鹽效率明顯提高，能耗大大減小。