CN105540764B - 一种不对称电容去离子模块的电极制备及应用 - Google Patents
一种不对称电容去离子模块的电极制备及应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105540764B CN105540764B CN201510915937.6A CN201510915937A CN105540764B CN 105540764 B CN105540764 B CN 105540764B CN 201510915937 A CN201510915937 A CN 201510915937A CN 105540764 B CN105540764 B CN 105540764B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- activated carbon
- capacitive deionization
- electrode
- cladding
- nitric acid
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000002242 deionisation method Methods 0.000 title claims abstract description 100
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 216
- JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N Pyridine Chemical compound C1=CC=NC=C1 JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 99
- UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N pyridine Natural products COC1=CC=CN=C1 UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 50
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 47
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 41
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 claims abstract description 40
- 238000010306 acid treatment Methods 0.000 claims abstract description 34
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 22
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims abstract description 11
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 48
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 25
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 claims description 24
- 238000003795 desorption Methods 0.000 claims description 19
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 15
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 13
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 12
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 11
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 11
- FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylacetamide Chemical compound CN(C)C(C)=O FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 9
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 claims description 9
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000004224 protection Effects 0.000 claims description 8
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 7
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 7
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 7
- 241000872198 Serjania polyphylla Species 0.000 claims description 6
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 6
- 238000000967 suction filtration Methods 0.000 claims description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 5
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 5
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 claims description 5
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 5
- HNTGIJLWHDPAFN-UHFFFAOYSA-N 1-bromohexadecane Chemical class CCCCCCCCCCCCCCCCBr HNTGIJLWHDPAFN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- USHAGKDGDHPEEY-UHFFFAOYSA-L potassium persulfate Chemical class [K+].[K+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O USHAGKDGDHPEEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 4
- 235000019394 potassium persulphate Nutrition 0.000 claims description 4
- 125000001453 quaternary ammonium group Chemical group 0.000 claims description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims 1
- 238000010612 desalination reaction Methods 0.000 abstract description 11
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 4
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 abstract description 4
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 abstract 1
- 238000011033 desalting Methods 0.000 description 5
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- KAESVJOAVNADME-UHFFFAOYSA-N Pyrrole Chemical compound C=1C=CNC=1 KAESVJOAVNADME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 4
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 4
- FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N potassium nitrate Chemical compound [K+].[O-][N+]([O-])=O FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 3
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 2
- XUCNUKMRBVNAPB-UHFFFAOYSA-N fluoroethene Chemical compound FC=C XUCNUKMRBVNAPB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- WFKAJVHLWXSISD-UHFFFAOYSA-N isobutyramide Chemical class CC(C)C(N)=O WFKAJVHLWXSISD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000009938 salting Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- KGIGUEBEKRSTEW-UHFFFAOYSA-N 2-vinylpyridine Chemical compound C=CC1=CC=CC=N1 KGIGUEBEKRSTEW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- -1 alkenyl pyridine Chemical compound 0.000 description 1
- 150000001408 amides Chemical class 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000002801 charged material Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 210000004209 hair Anatomy 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 150000003222 pyridines Chemical class 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 1
- 239000003643 water by type Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/469—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis
- C02F1/4691—Capacitive deionisation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
- C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
Abstract
一种不对称电容去离子模块的电极制备及应用，属于电容去离子技术领域。该不对称电容去离子模块包含两个电极：其中一个电极采用硝酸处理后活性炭作为活性物质，另一个电极采用季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭作为活性物质。硝酸处理后活性炭表面带有大量的羧基等负电官能团，而季铵化的聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭表面带有正电荷。该不对称电容去离子模块具有脱盐量高，吸附过程电流效率高，吸附速率快等优点，具有良好的工业应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种不对称电容去离子模块的电极制备及应用，其属于水处理科学技术分支——电容去离子技术领域。具体涉及采用经过表面修饰的活性炭作为电容去离子的电极活性物质进行水处理。
背景技术
地球具有丰富的水资源，但其中淡水资源仅占2.7%，并且大部分淡水为难以被利用的冰川水。另外，淡水资源还存在严重的分布不均问题，淡水资源匮乏已成为许多国家发展的瓶颈。鉴于地球上具有丰富的海水及苦咸水资源，脱盐成为解决淡水资源匮乏这一问题的有效途径。电容去离子是一种基于电容原理的新兴脱盐技术，具有能耗低，无二次污染等优点，尤其适用于处理浓度在500-5000 ppm之间的苦咸水。一个典型的电容去离子模块由两个对立放置的电极组成，盐溶液流过两电极间的通道，当在两电极间施加一个电压时，盐溶液中的离子会被吸附到电极上，达到吸附平衡后，可以通过短接或者反接电压对电极进行再生。
电容去离子模块所用电极材料多为孔道结构发达的碳材料，因此在不施加电压的情况下，电极也会吸附一定量的离子。当施加电压时，电极上不仅会发生与其带有相反电荷离子（反离子）的吸附，同时也会发生与其带有相同电荷离子（同名离子）的脱附。这种对同名离子的排斥被称为同名离子排斥效应。同名离子排斥效应会导致电流利用效率的降低和耗电量的增加。
另外，通过采用表面带负电的材料作为阳极，采用表面带正电的材料作为阴极，施加电压时进行离子的脱附，短接两电极时进行离子的吸附，即反式的电容去离子过程可以有效地提高电容去离子模块的操作稳定性。这种反式电容去离子模块的操作电压受限于两个电极的零电荷电位之差。而现有的不对称电容去离子模块进行反式电容去离子过程时，电压窗口偏小，导致脱盐量及脱盐速率过低，难以实现工业化生产。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种不对称的电容去离子模块。该模块包含一个带负电官能团修饰的活性炭电极和一个带正电聚合物修饰的活性炭电极，将该模块用于电容去离子，其表现出脱盐量高、电流效率高、脱盐速率快等特点。
一种不对称电容去离子模块，所述模块依次由有机玻璃板、钛集流体、以硝酸处理后活性炭为活性物质的电极、无纺布、硅胶垫片，无纺布、以季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭为活性物质的电极、钛集流体和有机玻璃板组成。
所述以硝酸处理后活性炭为活性物质的电极的制备方法包括以下步骤：
（a）将硝酸与去离子水以1:3-3:1的体积比混合均匀制成硝酸溶液，将1-5 g活性炭加入硝酸溶液中，活性炭与硝酸溶液的比例为1g： 5-80 mL，50-80 °C 处理4-6 h，得到硝酸处理后活性炭；所述硝酸的浓度为8-16 M；
（b）将硝酸处理后活性炭与导电炭黑以6:1-10:1的质量比混合均匀得到硝酸处理后活性炭与导电炭黑的混合物，加入N, N-二甲基乙酰胺，搅拌均匀后，加入聚偏氟乙烯的N, N-二甲基乙酰胺溶液，所述硝酸处理后的活性炭与聚偏氟乙烯的质量比为6:1-10:1；搅拌过夜后，涂布到石墨纸上，涂膜厚度为100-600 μm，涂布后的石墨纸在40-120 °C下干燥2-24 h，得到以硝酸处理后活性炭为活性物质的电极。
所述以季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭为活性物质的电极的制备方法包括以下步骤：
（a）将1-7 g活性炭及1-4 mL 4-乙烯基吡啶加入100-350 mL水，超声10-120 min进行分散，通氮气5-60 min后，加入20-50 mg过硫酸钾，在60-100 °C氮气保护下反应12-36h后，抽滤，去离子水及甲醇洗涤，得到聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭；
（b）将所述聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭加入20-250 mL N, N-二甲基甲酰胺，预热至50-80 °C，加入0.5-2 g的1,4-二溴丁烷，在氮气保护下反应12-72 h后，经抽滤、甲醇洗涤，得到交联的聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭；
（c）将所述交联的聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭及5-12 g溴代十六烷加入20-600mL甲醇中，在50-80 °C下反应12-72 h后得到季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭；
（d）将季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭与导电炭黑以6:1-10:1的质量比混合均匀得到季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭与导电炭黑的混合物，加入N, N-二甲基乙酰胺，搅拌均匀后，加入聚偏氟乙烯的N, N-二甲基乙酰胺溶液，所述季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭与聚偏氟乙烯的质量比为6:1-10:1；搅拌过夜后，涂布到石墨纸上，涂膜厚度为100-600 μm，涂布后的石墨纸在40-120 °C下干燥2-24 h，得到以季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭为活性物质的电极。
所述活性炭的Brunauer-Emmett-Teller比表面积大于或等于200 m2/g。
本发明还公开了所制备的改性的活性炭材料、由其所制备的电极、及由所述电极组装的不对称电容去离子模块在电容去离子中的应用。
将所述不对称的电容去离子模块应用于电容去离子，包括如下步骤：
（a） 将所述的不对称的电容去离子模块与直流电压电路构成闭合回路，直流电压电路对所述模块施加的电压范围为0.4-1.8 V；
（b）采用蠕动泵将浓度为100-5000 mg/L的NaCl溶液由第一蓄水池送入所述不对称的电容去离子模块，最后流入第二蓄水池，NaCl溶液的流速为5-200 mL/min；
（c）首先利用直流电压电路对所述模块施加一个0.4-1.8 V的电压，将季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭作为活性材料的电极用作阳极，硝酸处理后活性炭作为活性材料的电极用作阴极，进行离子的吸附；
（d）采用电导率探针在所述不对称电容去离子模块出口处实时检测NaCl溶液的电导率，以确定吸附量；
（e）吸附时间为5-120 min，电极达到吸附饱和后，反接电压进行脱附，脱附时间为5-120 min；
（f）重复（a）-（e）的步骤，进行下一个电容去离子过程。
将所述不对称的电容去离子模块用于反式电容去离子，包括如下步骤：
（a） 将所述的不对称电容去离子模块与直流电压电路构成闭合回路，直流电压电路对所述模块施加的电压范围为0.4-1.8 V；
（b）采用蠕动泵将浓度为100-5000 mg/L的NaCl溶液由第一蓄水池送入所述不对称的电容去离子模块，最后流入第二蓄水池，NaCl溶液的流速为5-200 mL/min；
（c）首先利用直流电压电路对所述模块施加一个0.4-1.8 V的电压，将硝酸处理后活性炭作为活性材料的电极用作阳极，季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭作为活性材料的电极用作阴极，进行离子的脱附，脱附过程持续时间为5-120 min；
（d）随后，短接所述模块的两个电极，进行吸附过程，吸附过程持续时间为5-120min；
（e）采用电导率探针在所述不对称电容去离子模块出口处检测NaCl溶液的浓度，以确定吸附量；
（f）重复（a）-（e）的步骤，进行下一个反式电容去离子过程。
本发明的有益效果为：该电容去离子模块中，硝酸处理后活性炭表面带有大量带负电的官能团，季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭表面带有大量带正电的官能团。由硝酸处理后活性炭所制备的电容去离子电极零电荷电位为正值，其值可达0.6~0.9 V，由季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭所制备的电容去离子电极零电荷电位为负值，其值可达-0.5~-0.9 V。
由于电极自身带有大量电荷，如果在脱附阶段施加电压（硝酸处理后活性炭所制备的电极作为阳极，季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭所制备的电极作为阴极），则两个电极的电极电位逐渐被极化到其零电荷电位附近，吸附阶段不施加电压仅短接两电极也可进行离子的吸附，即反式电容去离子过程，该过程的操作电压窗口受限于两电极的零电荷电位之差。该电容去离子模块在反式电容去离子过程最大操作电压窗口可达1.2~1.7 V，在最大操作电压下，脱盐量可达7-10 mg/g。
电容去离子过程中，如果在脱附阶段施加电压，在吸附阶段也施加电压，与单纯活性炭所组装的电容去离子模块相比，该电容去离子模块在吸附阶段可吸附更多的离子。在吸附和脱附电压均为1.2 V时，该电容去离子模块脱盐量可达15-24 mg/g，在相同条件下，单纯活性炭电极前加入离子交换膜所组装成的膜电容去离子模块的脱盐量为13-22 mg/g。该不对称电容去离子模块避免了昂贵的离子交换膜的使用，却可以达到与膜电容去离子模块相近的脱盐效果，因此展现出良好的工业应用前景。
附图说明
图1是实施例1中未处理活性炭（a）、季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭（b）及硝酸处理后活性炭的（c）的场发射电子显微镜照片。
图2是为实施例1中所制备样品的Zeta电位。
其中：d为季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭的Zeta电位，e为未处理活性炭的Zeta电位，f为硝酸处理后活性炭的Zeta电位。
图3是为实施例1中所制备电容去离子电极的零电荷电位。
其中：g为以季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭为活性物质的电极的微分电容曲线，h为以未处理活性炭为活性物质的电极的微分电容曲线，i为以硝酸处理后活性炭为活性物质的电极的微分电容曲线。
图4是不对称电容去离子模块应用于电容去离子过程的工艺流程图。其中：1、第一蓄水池，2、蠕动泵，3、电容去离子模块，4、电导率探针，5、第二蓄水池。
图5 是不对称电容去离子模块的组装结构图。
其中：3a、有机玻璃板，3b、钛集流体，3c、以硝酸处理后活性炭为活性物质的电极，3c’、以季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭为活性物质的电极，3d、无纺布，3e、硅胶垫片。
图6 是实施例1中不对称电容去离子模块用于反式电容去离子过程的脱盐性能图。
图7是实施例1中不对称电容去离子模块用于电容去离子过程的脱盐性能图。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
（a）将40 mL浓硝酸与40 mL去离子水以体积比1:1的比例混合均匀，将2 g活性炭加入上述硝酸溶液，65 °C 处理5 h，得到硝酸处理后活性炭材料。
（b）将5 g活性炭及2 mL 4-乙烯基吡啶加入250 mL水，超声30 min进行分散，通氮气15 min后，加入36 mg过硫酸钾，在90 °C氮气保护下反应24 h后，经过抽滤，去离子水及甲醇洗涤，得到聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭。随后，将所得聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭加入50 mL N, N-二甲基甲酰胺，预热至65 °C，加入1 g的1,4-二溴丁烷，在氮气保护下反应48 h后，经过抽滤及甲醇洗涤，得到交联的聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭。将所得到的交联的聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭及5.8 g溴代十六烷加入300 mL甲醇中，在65 °C下反应48 h后得到季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭。
（c） 将（a）中所述硝酸处理后活性炭与导电炭黑以8:1的质量比混合均匀，加入N,N-二甲基乙酰胺，搅拌均匀后，加入聚偏氟乙烯的N, N-二甲基乙酰胺溶液，活性炭与聚偏氟乙烯的质量比为8:1，搅拌过夜后，将所得混合物涂布到石墨纸上，涂膜厚度为200 μm。将所述涂布后的石墨纸在60 °C下干燥12 h得到活性物质为硝酸处理后活性炭的电容去离子用电极。
（d） 以季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭为活性物质的电极的制备方法与（c）所述方法相似，只需将硝酸处理后活性炭替换为（b）中所述的季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭即可。
（e） 所述不对称的电容去离子模块依次由集流体，（c）中所述电极，无纺布，硅胶垫片，无纺布，（d）中所述电极，集流体组成。
（f）对（e）中所述不对称电容去离子模块进行反式电容去离子性能测试，具体步骤如下：将（e）所述不对称电容去离子模块与直流电压电路构成闭合回路，采用蠕动泵将浓度为500 mg/L的NaCl溶液由第一蓄水池送入所述不对称的电容去离子模块，最后流入第二蓄水池。在不对称电容去离子模块出口处实时检测NaCl溶液的电导率，以确定吸附量。对所述模块施加1.4 V的电压进行离子的脱附，短接所述模块的两个电极进行吸附。NaCl溶液流速为8.67 mL/min，吸附及脱附时间均为10 min。
（g）对（e）中所述不对称电容去离子模块进行电容去离子性能测试，具体步骤如下：将（e）中所述不对称电容去离子模块与直流电压电路构成闭合回路，采用蠕动泵将浓度为500 mg/L的NaCl溶液由第一蓄水池送入所述不对称的电容去离子模块，最后流入第二蓄水池。在不对称电容去离子模块出口处实时检测NaCl溶液的电导率，以确定吸附量。对所述模块施加1.2 V的电压进行离子的吸附，反接电压进行脱附。NaCl溶液浓度为500 mg/L，流速为8.67 mL/min，吸附及脱附时间均为10 min。
未处理和步骤（a）及步骤（b）中所述处理后活性炭的场发射扫描电镜如附图1所示，未处理的活性炭呈颗粒状，步骤（a）中所述硝酸处理及步骤（b）中所述季铵化聚四乙烯基吡啶包覆并未显著改变活性炭的形貌。未处理和步骤（a）及步骤（b）中所述处理后活性炭样品的Zeta电位如附图2，未处理的活性炭零电荷点在pH=2附近。步骤（a）所述硝酸处理后活性炭的Zeta电位则在pH=2-10的范围内均为负值，表明与未处理的活性炭相比，其表面带有更多的负电荷。步骤（b）所述季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭的零电荷点在pH=8.8附近，表明其表面带有大量正电荷。未处理活性炭电极和步骤（c）及步骤（d）中所述处理后活性炭电极的微分电容曲线如附图3所示。由微分电容曲线的最小值可以确定所述电极的零电荷电位。由附图3可知，未处理的活性炭电极零电荷电位为0.605 V，步骤（c）所述以硝酸处理后活性炭为活性物质的电极的零电荷电位为0.820 V，步骤（d）所述以季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭为活性物质的电极的零电荷电位为-0.745 V。实施例1所述不对称电容去离子模块的反式电容去离子及电容去离子脱盐性能分别如附图6及图7所示。对于反式电容去离子，其在1.4 V的脱附电压下，吸附量可达8.8 mg/g；对于电容去离子过程，其在1.2 V的电压下，脱盐量可达20.5 mg/g。
实施例2
（a）将浓硝酸与去离子水以体积比2:1的比例混合均匀，将2 g活性炭加入上述硝酸溶液，80 °C 处理5 h，得到硝酸处理后活性炭材料。
（b）将3 g活性炭及2 mL 4-乙烯基吡啶加入250 mL水，超声30 min进行分散，通氮气15 min后，加入36 mg过硫酸钾，在90 °C氮气保护下反应24 h后，经过抽滤，去离子水及甲醇洗涤，得到聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭。随后，将所得聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭加入100 mL N, N-二甲基甲酰胺，预热至65 °C，加入1 g的1,4-二溴丁烷，在氮气保护下反应48 h后，经过抽滤及甲醇洗涤，得到交联的聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭。将所得交联的聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭及8 g溴代十六烷加入100 mL甲醇中，在65 °C下反应48 h后得到季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭。
（c） 将（a）中所述硝酸处理后活性炭与导电炭黑以8:1的质量比混合均匀，加入N,N-二甲基乙酰胺，搅拌均匀后，加入聚偏氟乙烯的N, N-二甲基乙酰胺溶液，活性炭与聚偏氟乙烯的质量比为8:1，搅拌过夜后，将所得混合物涂布到石墨纸上，涂膜厚度为300 μm。将所述涂布后的石墨纸在60 °C下干燥12 h得到活性物质为硝酸处理后活性炭的电容去离子用电极。
（d） 以季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭为活性物质的电极的制备方法与（c）所述方法相似，只需将硝酸处理后活性炭替换为（b）中所述的季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭即可。
（e） 所述不对称的电容去离子模块依次由集流体，（c）中所述电极，无纺布，硅胶垫片，无纺布，（d）中所述电极，集流体组成。
（f）对（e）中所述不对称电容去离子模块进行反式电容去离子性能测试，具体步骤如下：将（e）所述不对称电容去离子模块与直流电压电路构成闭合回路，采用蠕动泵将浓度为200 mg/L的NaCl溶液由第一蓄水池送入所述不对称的电容去离子模块，最后流入第二蓄水池。在不对称电容去离子模块出口处实时检测NaCl溶液的电导率，以确定吸附量。对所述模块施加1.4 V的电压进行离子的脱附，短接所述模块的两个电极进行吸附。NaCl溶液流速为10 mL/min，吸附及脱附时间均为5 min。
（g） 对（e）中所述不对称电容去离子模块进行电容去离子性能测试，具体步骤如下：将（e）中所述不对称电容去离子模块与直流电压电路构成闭合回路，采用蠕动泵将浓度为500 mg/L的NaCl溶液由第一蓄水池送入所述不对称的电容去离子模块，最后流入第二蓄水池。在不对称电容去离子模块出口处实时检测NaCl溶液的电导率，以确定吸附量。对所述模块施加1.2 V的电压进行离子的吸附，反接电压进行脱附。NaCl溶液浓度为200 mg/L，流速为10 mL/min，吸附及脱附时间均为5 min。
在实施例2步骤（f）所述的反式电容去离子测试过程中，（e）中所述不对称电容去离子模块在 1.4 V的脱附电压下，吸附量可达7.2 mg/g；在实施例2步骤（e）所述的电容去离子测试过程中，（e）中所述不对称电容去离子模块在1.2 V的电压下，脱盐量可达16.8mg/g。
Claims (4)
1.一种不对称电容去离子模块，其特征在于：所述模块由左至右依次包括有机玻璃板（3a）、钛集流体（3b）、以硝酸处理后活性炭为活性物质的电极（3c）、无纺布（3d）、硅胶垫片（3e），无纺布（3d）、以季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭为活性物质的电极（3c’）、钛集流体（3b）和有机玻璃板（3a）；
所述以硝酸处理后活性炭为活性物质的电极的制备方法包括以下步骤：
（a）将硝酸与去离子水以1:3-3:1的体积比混合均匀制成硝酸溶液，将1-5 g活性炭加入硝酸溶液中，活性炭与硝酸溶液的比例为1g：5-80 mL，50-80 °C 处理4-6 h，得到硝酸处理后活性炭；所述硝酸的浓度为8-16 mol/L；
（b）将硝酸处理后活性炭与导电炭黑以6:1-10:1的质量比混合均匀得到硝酸处理后活性炭与导电炭黑的混合物，加入N, N-二甲基乙酰胺，搅拌均匀后，加入聚偏氟乙烯的N, N-二甲基乙酰胺溶液，所述硝酸处理后的活性炭与聚偏氟乙烯的质量比为6:1-10:1；搅拌过夜后，涂布到石墨纸上，涂膜厚度为100-600 μm，涂布后的石墨纸在40-120 °C下干燥2-24h，得到以硝酸处理后活性炭为活性物质的电极；
所述以季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭为活性物质的电极的制备方法包括以下步骤：
（a）将1-7 g活性炭及1-4 mL 4-乙烯基吡啶加入100-350 mL水，超声10-120 min进行分散，通氮气5-60 min后，加入20-50 mg过硫酸钾，在60-100 °C氮气保护下反应12-36 h后，抽滤，用去离子水及甲醇洗涤后，得到聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭；
（b）将所述聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭加入20-250 mL N, N-二甲基甲酰胺，预热至50-80 °C，加入0.5-2 g的1,4-二溴丁烷，在氮气保护下反应12-72 h后，经抽滤、甲醇洗涤，得到交联的聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭；
（c）将所述交联的聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭及5-12 g溴代十六烷加入 20-600 mL甲醇中，在50-80 °C下反应12-72 h后得到季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭；
（d）将季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭与导电炭黑以6:1-10:1的质量比混合均匀得到季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭与导电炭黑的混合物，加入N, N-二甲基乙酰胺，搅拌均匀后，加入聚偏氟乙烯的N, N-二甲基乙酰胺溶液，所述季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭与聚偏氟乙烯的质量比为6:1-10:1；搅拌过夜后，涂布到石墨纸上，涂膜厚度为100-600 μm，涂布后的石墨纸在40-120 °C下干燥2-24 h，得到以季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭为活性物质的电极。
2.根据权利要求1所述的一种不对称电容去离子模块，其特征在于：所述活性炭的比表面积大于或等于200 m2/g。
3.根据权利要求1所述的一种不对称电容去离子模块应用于电容去离子，其特征在于，包括以下步骤：
（a）将所述电容去离子模块（3）与直流电压电路构成闭合回路，直流电压电路对模块施加的电压范围为0.4-1.8 V；
（b）采用蠕动泵（2）将浓度为100-5000 mg/L的NaCl溶液由第一蓄水池（1）送入电容去离子模块（3），最后流入第二蓄水池（5），NaCl溶液的流速为5-200 mL/min；
（c）首先利用直流电压电路对电容去离子模块（3）施加一个0.4-1.8 V的电压，将季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭作为活性材料的电极用作阳极，硝酸处理后活性炭为活性物质的电极用作阴极，进行离子的吸附；
（d）采用电导率探针（4）在电容去离子模块（3）出口处实时检测NaCl溶液的电导率，以确定吸附量；吸附时间为5-120 min，电极达到吸附饱和后，然后反接电压进行脱附，脱附时间为5-120 min。
4.根据权利要求1所述的一种不对称电容去离子模块应用于反式电容去离子，其特征在于，包括以下步骤：
（a）将所述电容去离子模块（3）与直流电压电路构成闭合回路；
（b）采用蠕动泵（2）将浓度为100-5000 mg/L的NaCl溶液由第一蓄水池（1）送入电容去离子模块（3），最后流入第二蓄水池（5），NaCl溶液的流速为5-200 mL/min；
（c）利用直流电压电路对电容去离子模块（3）施加一个0.4-1.8 V的电压，将硝酸处理后活性炭为活性物质的电极用作阳极，季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭作为活性材料的电极用作阴极，进行离子的脱附，脱附时间为5-120 min；
（d）短接电容去离子模块（3）的两个电极，进行吸附过程，吸附过程持续时间为5-120min；
（e）采用电导率探针（4）在电容去离子模块（3）出口处检测NaCl溶液的浓度，以确定吸附量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510915937.6A CN105540764B (zh) | 2015-12-12 | 2015-12-12 | 一种不对称电容去离子模块的电极制备及应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510915937.6A CN105540764B (zh) | 2015-12-12 | 2015-12-12 | 一种不对称电容去离子模块的电极制备及应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105540764A CN105540764A (zh) | 2016-05-04 |
| CN105540764B true CN105540764B (zh) | 2018-08-14 |
Family
ID=55820396
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510915937.6A Active CN105540764B (zh) | 2015-12-12 | 2015-12-12 | 一种不对称电容去离子模块的电极制备及应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105540764B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109607711A (zh) * | 2019-01-30 | 2019-04-12 | 东莞理工学院 | 一种杂化电容去离子脱盐模块及脱盐方法 |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105858828A (zh) * | 2016-06-03 | 2016-08-17 | 华东师范大学 | 一种不对称流动式电极的脱盐装置 |
| CN106379970B (zh) * | 2016-10-26 | 2019-12-06 | 大连理工大学 | 一种层状金属氧化物用于苦咸水淡化的电容去离子技术 |
| CN107720892A (zh) * | 2017-09-27 | 2018-02-23 | 大连理工大学 | 一种电容去离子模块及其在杀菌消毒中的应用 |
| CN107555554B (zh) * | 2017-09-27 | 2020-10-13 | 大连理工大学 | 一种利用层状金属氧化物吸附砷的含氧酸根的电容去离子技术 |
| CN109574161A (zh) * | 2019-01-30 | 2019-04-05 | 东莞理工学院 | 一种MnO2复合多孔炭材料电极及其在电容去离子脱盐中的应用 |
| CN111224189A (zh) * | 2020-01-16 | 2020-06-02 | 东莞理工学院 | 一种基于废旧锂离子电池负极材料的活化碳微球电极材料及其制备和应用 |
| CN113274805A (zh) * | 2020-02-20 | 2021-08-20 | 林士隆 | 过滤模块以及蚀刻液再生方法 |
| CN111547826A (zh) * | 2020-06-09 | 2020-08-18 | 清华大学 | 一种一体化堆叠式流动电极电容去离子装置 |
| CN111732165B (zh) * | 2020-06-30 | 2022-04-08 | 东莞理工学院 | 一种非对称cdi脱盐模块及利用该模块进行脱盐的方法 |
| CN113213599B (zh) * | 2021-05-10 | 2022-08-19 | 南开大学 | 一种硝酸根选择性扩展电压电容去离子电极的制备及应用 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101337717A (zh) * | 2008-09-28 | 2009-01-07 | 上海纳晶科技有限公司 | 一种高效率节能型隔膜电容去离子装置 |
| EP2463242A2 (en) * | 2009-08-07 | 2012-06-13 | Sion Tech Co., Ltd | Capacitive electrode for deionization, and electrolytic cell using same |
-
2015
- 2015-12-12 CN CN201510915937.6A patent/CN105540764B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101337717A (zh) * | 2008-09-28 | 2009-01-07 | 上海纳晶科技有限公司 | 一种高效率节能型隔膜电容去离子装置 |
| EP2463242A2 (en) * | 2009-08-07 | 2012-06-13 | Sion Tech Co., Ltd | Capacitive electrode for deionization, and electrolytic cell using same |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 类超电容活性炭的电容去离子除盐性能;赵研等;《东北大学学报(自然科学版)》;20130531;第34卷(第5期);第728页1.1-1.2节，图1 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109607711A (zh) * | 2019-01-30 | 2019-04-12 | 东莞理工学院 | 一种杂化电容去离子脱盐模块及脱盐方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105540764A (zh) | 2016-05-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105540764B (zh) | 一种不对称电容去离子模块的电极制备及应用 | |
| Wu et al. | Surface-treated carbon electrodes with modified potential of zero charge for capacitive deionization | |
| Zornitta et al. | Simultaneous analysis of electrosorption capacity and kinetics for CDI desalination using different electrode configurations | |
| CN107585835B (zh) | 基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的fcdi装置及应用 | |
| CN106379970A (zh) | 一种层状金属氧化物用于苦咸水淡化的电容去离子技术 | |
| CN104984728A (zh) | 一步法合成掺氮石墨烯水凝胶并用于电吸附水中重金属离子 | |
| CN109607711A (zh) | 一种杂化电容去离子脱盐模块及脱盐方法 | |
| CN109179589A (zh) | 碳包覆磷酸钒钠电极材料的制备方法及其在杂化电容去离子技术中的应用 | |
| CN103979650B (zh) | 一种自组装技术制备电吸附组件的方法 | |
| KR20150074822A (ko) | 전기 흡착 탈이온 전극, 그 제조 방법 및 이를 포함한 전기흡착 탈이온 장치 | |
| CN103272559A (zh) | 一种多孔碳电极材料在电吸附技术中的应用 | |
| CN104817143B (zh) | 离子交换膜复合多极电容吸附脱盐装置 | |
| Wu et al. | Enhanced capacitive deionization of an integrated membrane electrode by thin layer spray-coating of ion exchange polymers on activated carbon electrode | |
| CN104817144A (zh) | 一种电容去离子用聚多巴胺改性多孔碳电极的制备方法 | |
| CN103265098A (zh) | 一种带涂层电极电吸附装置 | |
| CN102718291B (zh) | 离子交换树脂改性pvdf炭电极 | |
| Liu et al. | Penicillin fermentation residue biochar as a high-performance electrode for membrane capacitive deionization | |
| CN113184964A (zh) | 一种普鲁士蓝类似物/钛三碳二复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN109665521A (zh) | 用于电容去离子电极氮掺杂自缩式3d石墨烯及制备方法 | |
| KR101343334B1 (ko) | 패턴화 된 채널이 형성된 활성탄 전극을 갖는 축전 탈이온화용 전기화학셀 및 이의 제조방법 | |
| CN113213598A (zh) | Ti-MXene衍生磷酸钛钠/石墨烯复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN205328676U (zh) | 静电除盐装置 | |
| CN105293487A (zh) | 一种改性活性炭及电容去离子电极的制备方法 | |
| CN104743644A (zh) | 水处理用电极膜及其制备与应用 | |
| CN107546038A (zh) | 一种浓差电容器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |