一種不對(duì)稱電容去離子模塊的電極制備及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種不對(duì)稱電容去離子模塊的電極制備及應(yīng)用，其屬于水處理科學(xué)技術(shù)分支一一電容去離子技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及采用經(jīng)過表面修飾的活性炭作為電容去離子的電極活性物質(zhì)進(jìn)行水處理。
【背景技術(shù)】
[0002]地球具有豐富的水資源，但其中淡水資源僅占2.7%，并且大部分淡水為難以被利用的冰川水。另外，淡水資源還存在嚴(yán)重的分布不均問題，淡水資源匱乏已成為許多國家發(fā)展的瓶頸。鑒于地球上具有豐富的海水及苦咸水資源，脫鹽成為解決淡水資源匱乏這一問題的有效途徑。電容去離子是一種基于電容原理的新興脫鹽技術(shù)，具有能耗低，無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于處理濃度在500-5000 ppm之間的苦咸水。一個(gè)典型的電容去離子模塊由兩個(gè)對(duì)立放置的電極組成，鹽溶液流過兩電極間的通道，當(dāng)在兩電極間施加一個(gè)電壓時(shí)，鹽溶液中的離子會(huì)被吸附到電極上，達(dá)到吸附平衡后，可以通過短接或者反接電壓對(duì)電極進(jìn)行再生。
[0003]電容去離子模塊所用電極材料多為孔道結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的碳材料，因此在不施加電壓的情況下，電極也會(huì)吸附一定量的離子。當(dāng)施加電壓時(shí)，電極上不僅會(huì)發(fā)生與其帶有相反電荷離子(反離子)的吸附，同時(shí)也會(huì)發(fā)生與其帶有相同電荷離子(同名離子)的脫附。這種對(duì)同名離子的排斥被稱為同名離子排斥效應(yīng)。同名離子排斥效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電流利用效率的降低和耗電量的增加。
[0004]另外，通過采用表面帶負(fù)電的材料作為陽極，采用表面帶正電的材料作為陰極，施加電壓時(shí)進(jìn)行離子的脫附，短接兩電極時(shí)進(jìn)行離子的吸附，即反式的電容去離子過程可以有效地提高電容去離子模塊的操作穩(wěn)定性。這種反式電容去離子模塊的操作電壓受限于兩個(gè)電極的零電荷電位之差。而現(xiàn)有的不對(duì)稱電容去離子模塊進(jìn)行反式電容去離子過程時(shí)，電壓窗口偏小，導(dǎo)致脫鹽量及脫鹽速率過低，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種不對(duì)稱的電容去離子模塊。該模塊包含一個(gè)帶負(fù)電官能團(tuán)修飾的活性炭電極和一個(gè)帶正電聚合物修飾的活性炭電極，將該模塊用于電容去離子，其表現(xiàn)出脫鹽量高、電流效率高、脫鹽速率快等特點(diǎn)。
[0006]—種不對(duì)稱電容去離子模塊，所述模塊依次由有機(jī)玻璃板、鈦集流體、以硝酸處理后活性炭為活性物質(zhì)的電極、無紡布、硅膠墊片，無紡布、以季銨化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭為活性物質(zhì)的電極、鈦集流體和有機(jī)玻璃板組成。
[0007]所述以硝酸處理后活性炭為活性物質(zhì)的電極的制備方法包括以下步驟:
(a)將硝酸與去離子水以1:3-3:1的體積比混合均勻制成硝酸溶液，將1-5 g活性炭加入硝酸溶液中，活性炭與硝酸溶液的比例為Ig: 5-80 mL,50-80 °C處理4_6 h，得到硝酸處理后活性炭;所述硝酸的濃度為8-16 M； (b)將硝酸處理后活性炭與導(dǎo)電炭黑以6:1-10:1的質(zhì)量比混合均勻得到硝酸處理后活性炭與導(dǎo)電炭黑的混合物，加入N，N-二甲基乙酰胺，攪拌均勻后，加入聚偏氟乙烯的N, N-二甲基乙酰胺溶液，所述硝酸處理后的活性炭與聚偏氟乙烯的質(zhì)量比為6:1-10:1;攪拌過夜后，涂布到石墨紙上，涂膜厚度為100-600 Mi，涂布后的石墨紙?jiān)?0-120 °C下干燥2_24h，得到以硝酸處理后活性炭為活性物質(zhì)的電極。
[0008]所述以季銨化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭為活性物質(zhì)的電極的制備方法包括以下步驟:
(a)將1-7g活性炭及1-4 mL 4-乙烯基吡啶加入100-350 mL水，超聲10-120 min進(jìn)行分散，通氮?dú)?-60 min后，加入20-50 mg過硫酸鉀，在60-100 ° (:氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)12-36 h后，抽濾，去離子水及甲醇洗滌，得到聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭；
(b)將所述聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭加入20-250mL N, N-二甲基甲酰胺，預(yù)熱至50-80 °C，加入0.5-2 g的1,4-二溴丁烷，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)12-72 h后，經(jīng)抽濾、甲醇洗滌，得到交聯(lián)的聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭；
(c)將所述交聯(lián)的聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭及5-12g溴代十六烷加入20-600 mL甲醇中，在50-80 °C下反應(yīng)12-72 h后得到季銨化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭；
(d)將季銨化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭與導(dǎo)電炭黑以6:1-10:1的質(zhì)量比混合均勻得到季銨化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭與導(dǎo)電炭黑的混合物，加入N，N-二甲基乙酰胺，攪拌均勻后，加入聚偏氟乙烯的N，N-二甲基乙酰胺溶液，所述季銨化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭與聚偏氟乙烯的質(zhì)量比為6:1-10:1;攪拌過夜后，涂布到石墨紙上，涂膜厚度為100-600 μπι，涂布后的石墨紙?jiān)?0-120 °C下干燥2_24 h，得到以季銨化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭為活性物質(zhì)的電極。
[0009]所述活性炭的Brunauer-Emmett-Teller比表面積大于或等于200 m2/g。
[0010]本發(fā)明還公開了所制備的改性的活性炭材料、由其所制備的電極、及由所述電極組裝的不對(duì)稱電容去離子模塊在電容去離子中的應(yīng)用。
[0011]將所述不對(duì)稱的電容去離子模塊應(yīng)用于電容去離子，包括如下步驟:
(a)將所述的不對(duì)稱的電容去離子模塊與直流電壓電路構(gòu)成閉合回路，直流電壓電路對(duì)所述模塊施加的電壓范圍為0.4-1.8 V；
(b)采用蠕動(dòng)栗將濃度為100-5000mg/L的NaCl溶液由第一蓄水池送入所述不對(duì)稱的電容去離子模塊，最后流入第二蓄水池，NaCl溶液的流速為5-200 mL/min;
(c)首先利用直流電壓電路對(duì)所述模塊施加一個(gè)0.4-1.8V的電壓，將季銨化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭作為活性材料的電極用作陽極，硝酸處理后活性炭作為活性材料的電極用作陰極，進(jìn)行離子的吸附；
(d)采用電導(dǎo)率探針在所述不對(duì)稱電容去離子模塊出口處實(shí)時(shí)檢測(cè)NaCl溶液的電導(dǎo)率，以確定吸附量；
(e)吸附時(shí)間為5-120min，電極達(dá)到吸附飽和后，反接電壓進(jìn)行脫附，脫附時(shí)間為5-120 min；
(f)重復(fù)(a)-(e)的步驟，進(jìn)行下一個(gè)電容去離子過程。
[0012]將所述不對(duì)稱的電容去離子模塊用于反式電容去離子，包括如下步驟:
(a)將所述的不對(duì)稱電容去離子模塊與直流電壓電路構(gòu)成閉合回路，直流電壓電路對(duì)所述模塊施加的電壓范圍為0.4-1.8 V；
(b)采用蠕動(dòng)栗將濃度為100-5000mg/L的NaCl溶液由第一蓄水池送入所述不對(duì)稱的電容去離子模塊，最后流入第二蓄水池，NaCl溶液的流速為5-200 mL/min;
(c)首先利用直流電壓電路對(duì)所述模塊施加一個(gè)0.4-1.8V的電壓，將硝酸處理后活性炭作為活性材料的電極用作陽極，季銨化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭作為活性材料的電極用作陰極，進(jìn)行離子的脫附，脫附過程持續(xù)時(shí)間為5-120 min；
(d)隨后，短接所述模塊的兩個(gè)電極，進(jìn)行吸附過程，吸附過程持續(xù)時(shí)間為5-120min；
(e)采用電導(dǎo)率探針在所述不對(duì)稱電容去離子模塊出口處檢測(cè)NaCl溶液的濃度，以確定吸附量；
(f)重復(fù)(a)-(e)的步驟，進(jìn)行下一個(gè)反式電容去離子過程。
[0013]本發(fā)明的有益效果為:該電容去離子模塊中，硝酸處理后活性炭表面帶有大量帶負(fù)電的官能團(tuán)，季銨化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭表面帶有大量帶正電的官能團(tuán)。由硝酸處理后活性炭所制備的電容去離子電極零電荷電位為正值，其值可達(dá)0.6?0.9 V，由季銨化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭所制備的電容去離子電極零電荷電位為負(fù)值，其值可達(dá)-
0.5—0.9 V。
[0014]由于電極自身帶有大量電荷，如果在脫附階段施加電壓(硝酸處理后活性炭所制備的電極作為陽極，季銨化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭所制備的電極作為陰極)