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《东华大学》 2017年
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活性炭基电容去离子薄膜电极的制备、表面改性及性能研究

曹庆丹  
【摘要】:电容去离子(Capacitive Deionization,CDI),是一种基于双电层电容理论的含盐水淡化技术。其基本原理是:在电极两端施加一个低电压(一般1.2-2.0 V)后,含盐水溶液中的阳离子、阴离子等其他带电粒子在电场力和浓度梯度作用下分别向电容器两极板迁移,最终吸附于电极表面形成双电层,从而达到脱盐或净化的目的。当阴阳电极吸附的阴阳离子达到饱和之后,将直流电压正负极反向或者将电压撤去,在阴阳两电极表面吸附着的阴阳离子将会离开电极表面,重新返回到水溶液当中,此时电极可以回收循环利用。电极材料的性质是决定CDI吸附性能好坏最关键的因素。电极材料的离子可接触面积大,孔径分布均匀,导电率、比电容高等性能都将有利于电极材料的电吸附。活性炭由于比表面积非常高,制作成本低等优点已被广泛应用于电容去离子电极材料中,不过由于其介孔分布少,孔径分布不均匀等局限性的存在限制了其在CDI领域的进一步发展。本文从活性炭改性出发,进一步将其与其他无机或者有机材料复合,通过辊对辊的薄膜制备工艺,借助于聚四氟乙烯的粘结作用,制备得到柔性薄膜电极材料,并对其进行CDI测试,取得了良好的去离子效果。论文的主要研究内容如下:(1)在氮气气氛下,使用高浓度氢氧化钾溶液对市售活性炭进行改性,并加入少量市售石墨烯和粘结剂PTFE,通过辊对辊的薄膜制备工艺将混合原料辊压制备薄膜电极材料。利用强碱对活性炭进行刻蚀,可以改善活性炭介孔分布少,孔径分布不均匀的缺点;在体系中引入二维片状石墨烯可以改善活性炭颗粒的电性能,提高其电吸附量。实验测试结果显示,薄膜电极材料在流速为30 mL/min,浓度为450 mg/L,体积为150 mL的氯化钠溶液中除盐量最高达到10.5 mg/g,比改性前的活性炭电极材料的3 mg/g提高了250%,除盐效果显著改善,在CDI领域有很大的应用前景。(2)通过原位聚合的方法,在活性炭表面负载导电聚合物聚苯胺,通过改变表面活性剂十二烷基磺酸钠的浓度来控制聚苯胺的接枝量,制得四种形貌不同的活性炭/聚苯胺复合材料,并添加少量的粘结剂PTFE,通过辊压的方法制成薄膜电极材料,在流速为30 mL/min,浓度为450 mg/L,体积为150 m L的氯化钠溶液中测试其CDI性能,最高的除盐量达到15.2 mg/g,除盐性能优良,具有很好的工业化应用前景。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P747;TB332

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