聚吡咯修飾活性碳復(fù)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(shù)(capacitive deionization，CDI)是一種節(jié)能、環(huán)保的新型水處理技術(shù)，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(shí)現(xiàn)水體的凈化。電容去離子技術(shù)的脫鹽效率由其電極的電容性能決定，同時(shí)還受到電容去離子單元的組裝結(jié)構(gòu)、脫鹽工藝及溶液離子種類等因素的影響?；谶@種分析，本論文從以下幾方面開展研究工作：采用化學(xué)氧化聚合的方法制備一種高電容量、穩(wěn)定性良好的導(dǎo)電高分子/活性碳(AC)復(fù)合電極材料，并采用簡(jiǎn)

2、單涂覆的方法制備成電容脫鹽電極，對(duì)復(fù)合材料的合成工藝進(jìn)行了優(yōu)化，特別是對(duì)電極材料負(fù)載量對(duì)電極電容量的影響進(jìn)行了研究；自行設(shè)計(jì)加工組裝電容去離子單元，進(jìn)行電容脫鹽實(shí)驗(yàn)，研究電壓及離子種類對(duì)電極脫鹽能力的影響，比較研究聚吡咯(PPy)包覆對(duì)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(xué)氧化聚合制備聚吡咯/活性碳復(fù)合材料并研究合成工藝對(duì)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(shí)將氧化劑溶液逐滴加入上述溶液進(jìn)行氧化聚合，以制備聚吡咯包覆的活性碳復(fù)合材料。通過循環(huán)伏安測(cè)試，研究氧化劑濃度、活性碳含量及聚合溫度對(duì)材料電容性能的影響。結(jié)果顯示：在冰浴條件下，摻雜鹽為氯化鉀，當(dāng)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(shí)制備出的復(fù)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(fù)載量對(duì)電極電容性能的影響
　　將活性材料及粘結(jié)劑混合制成糊狀液，采用簡(jiǎn)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(cè)電極電容量的變化。循環(huán)伏安測(cè)試結(jié)果顯示：復(fù)合電極的比電容隨著材料負(fù)載量的增大迅速減小，而活性碳電極比電容相對(duì)較穩(wěn)定；復(fù)合電極和活性碳電極的電容量隨著負(fù)載量增大而

5、增大到一定程度后，即達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。在負(fù)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(cè)試結(jié)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(zhǎng)，在頻率小于0.1 Hz時(shí)，隨著頻率降低傳輸電阻迅速增大；隨著活性材料負(fù)載量的增大，電極內(nèi)電阻卻相對(duì)變小，這是因?yàn)榛钚晕镔|(zhì)增多使得電化學(xué)響應(yīng)面積增大。
　　3、聚吡咯修飾活性碳復(fù)合電極的制備及其在電容脫鹽實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用
　　將活性材

6、料與導(dǎo)電炭黑、粘結(jié)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(duì)氯化鈉溶液進(jìn)行脫鹽，比較研究活性材料負(fù)載量對(duì)復(fù)合電極和活性碳電極脫鹽能力的影響，研究復(fù)合電極和活性碳電極在電容脫鹽實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)差異。電容脫鹽實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：隨著活性材料負(fù)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(fù)載量的條件下，復(fù)合電極的脫鹽效率明顯高于活性碳電極，而當(dāng)負(fù)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(fù)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(yīng)的發(fā)生，擴(kuò)大電極的使用電壓范圍。
　　4、復(fù)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(duì)不同陰陽離子溶液的電容脫鹽實(shí)驗(yàn)來研究復(fù)合電極對(duì)不同陰陽離子的吸附選擇順序。結(jié)果顯示：復(fù)

8、合電極對(duì)陽離子的吸附容量隨著離子水合半徑增大而減小，而且復(fù)合電極對(duì)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(fù)合材料不適于作為負(fù)極材料進(jìn)行電容脫鹽；復(fù)合電極對(duì)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(jié)合能有關(guān)，由于SO42-與分子鏈的結(jié)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(fù)合電極對(duì)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(fù)合電極的循環(huán)穩(wěn)定性