聚吡咯修飾活性碳復合材料的制備及其電容脫鹽性能的研究.pdf

1、電容去離子技術(capacitive deionization，CDI)是一種節(jié)能、環(huán)保的新型水處理技術，它是利用電容器的充放電原理，將離子從水體中去除，從而實現(xiàn)水體的凈化。電容去離子技術的脫鹽效率由其電極的電容性能決定，同時還受到電容去離子單元的組裝結構、脫鹽工藝及溶液離子種類等因素的影響。基于這種分析，本論文從以下幾方面開展研究工作：采用化學氧化聚合的方法制備一種高電容量、穩(wěn)定性良好的導電高分子/活性碳(AC)復合電極材料，并采用簡

2、單涂覆的方法制備成電容脫鹽電極，對復合材料的合成工藝進行了優(yōu)化，特別是對電極材料負載量對電極電容量的影響進行了研究；自行設計加工組裝電容去離子單元，進行電容脫鹽實驗，研究電壓及離子種類對電極脫鹽能力的影響，比較研究聚吡咯(PPy)包覆對活性碳(AC)材料電容脫鹽能力及離子選擇性的影響。具體內(nèi)容介紹如下：
　　1、化學氧化聚合制備聚吡咯/活性碳復合材料并研究合成工藝對其性能的影響
　　活性碳材料具有較高的比表面積，且循環(huán)充放電

3、穩(wěn)定性良好，但本身比電容較低，因此以活性碳為基體材料，在其表面聚合包覆聚吡咯，以提高其電容高性能。我們將活性碳粉與吡咯單體(Py)混合分散在酸性支持電解質(zhì)溶液中，在攪拌的同時將氧化劑溶液逐滴加入上述溶液進行氧化聚合，以制備聚吡咯包覆的活性碳復合材料。通過循環(huán)伏安測試，研究氧化劑濃度、活性碳含量及聚合溫度對材料電容性能的影響。結果顯示：在冰浴條件下，摻雜鹽為氯化鉀，當吡咯(Py)：KCl：氧化劑=0.2:0.15:0.2 mol·L-1，

4、吡咯：AC=0.4:1(wt％)時制備出的復合材料的電容性能最好，比活性碳電極提高了50％以上，適合用作電容去離子電極材料。
　　2、電極材料負載量對電極電容性能的影響
　　將活性材料及粘結劑混合制成糊狀液，采用簡單涂覆的方法，在石墨板表面涂覆不同質(zhì)量的活性材料，檢測電極電容量的變化。循環(huán)伏安測試結果顯示：復合電極的比電容隨著材料負載量的增大迅速減小，而活性碳電極比電容相對較穩(wěn)定；復合電極和活性碳電極的電容量隨著負載量增大而

5、增大到一定程度后，即達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。在負載量為8.0 mg·cm-2之左右，兩種電極材料的電容量基本相等。交流阻抗測試結果顯示：隨著頻率的降低，電解質(zhì)更容易滲透到電極微孔中，使得離子傳輸路徑增長，在頻率小于0.1 Hz時，隨著頻率降低傳輸電阻迅速增大；隨著活性材料負載量的增大，電極內(nèi)電阻卻相對變小，這是因為活性物質(zhì)增多使得電化學響應面積增大。
　　3、聚吡咯修飾活性碳復合電極的制備及其在電容脫鹽實驗中的應用
　　將活性材

6、料與導電炭黑、粘結劑按一定比例混合后，涂覆在石墨板表面干燥后制成電容脫鹽電極，將電極組裝成CDI單元對氯化鈉溶液進行脫鹽，比較研究活性材料負載量對復合電極和活性碳電極脫鹽能力的影響，研究復合電極和活性碳電極在電容脫鹽實驗中的表現(xiàn)差異。電容脫鹽實驗結果顯示：隨著活性材料負載量增大，兩種電極的脫鹽能力增大到一定水平后就再難提高，這和電極容量的變化相一致；在低材料負載量的條件下，復合電極的脫鹽效率明顯高于活性碳電極，而當負載量增大到8.0mg

7、·cm-2左右，兩種電極脫鹽效率基本相等；在高工作電壓條件下，活性碳電極的能耗過大，脫鹽效率降低，而復合電極并沒出現(xiàn)這種現(xiàn)象，說明聚吡咯包覆可以抑制電極表面副反應的發(fā)生，擴大電極的使用電壓范圍。
　　4、復合電極的離子選擇性研究
　　除了電極本身性能決定著其脫鹽能力，溶液中離子的特性，如半徑、水合半徑、電荷等因素也有著重要影響。本論文通過對不同陰陽離子溶液的電容脫鹽實驗來研究復合電極對不同陰陽離子的吸附選擇順序。結果顯示：復

8、合電極對陽離子的吸附容量隨著離子水合半徑增大而減小，而且復合電極對陽離子的吸附容量明顯偏低，甚至低于活性碳電極，這說明聚吡咯包覆活性碳復合材料不適于作為負極材料進行電容脫鹽；復合電極對陰離子的吸附容量并不完全取決于離子的水合半徑，還和離子與分子鏈的結合能有關，由于SO42-與分子鏈的結合能較大，且較大的體積也使嵌入分子鏈的SO42-難以迅速脫出，因而復合電極對SO42-的吸附容量比活性碳電極提高了約一倍，但這也降低了復合電極的循環(huán)穩(wěn)定性