電容去離子脫鹽用整體性活性炭纖維的設(shè)計(jì)構(gòu)筑及其性能研究.pdf

1、水是生命的根本，人類(lèi)賴以生存的源泉，亦是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)資源。隨著全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人類(lèi)對(duì)水資源的需求量與日俱增，水資源短缺已成為一個(gè)世界性的嚴(yán)重問(wèn)題。目前，全球已有超過(guò)十億人在不同程度上面臨缺少淡水的困境。海水淡化技術(shù)是一種獲取淡水進(jìn)而有望成為一個(gè)解決水資源危機(jī)的可能途徑。然而，傳統(tǒng)的海水淡化裝置存在體積龐大、耗能高、碳排放量大、淡化效率低等問(wèn)題。電容去離子脫鹽技術(shù)(Capacitive Deionization，CDI)是基于電

2、化學(xué)雙電層原理，利用帶電電極表面的電化學(xué)作用吸附水中帶電離子，使水體中溶解性鹽類(lèi)離子（如Na+、Ca2+、Cl-、SO42-等）及其它帶電物質(zhì)在電極表面和孔隙內(nèi)吸附富集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水凈化/淡化的一種新型水處理技術(shù)，具有低碳、低耗、低廉及低污等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。高性能電極材料的制備及其結(jié)構(gòu)調(diào)控，是CDI技術(shù)的核心和關(guān)鍵。本文采用靜電紡絲技術(shù)，圍繞新結(jié)構(gòu)高性能CDI電極材料的可控制備及其CDI脫鹽性能之構(gòu)效關(guān)系，開(kāi)展了系統(tǒng)的研究，包括:①以導(dǎo)電

3、炭黑(CB)、碳納米管(CNT)及石墨烯(RGO)為基本結(jié)構(gòu)單元，采用共混靜電紡絲技術(shù)，制備具有高比表面積及高導(dǎo)電性的宏觀整體性活性炭纖維(ACF)復(fù)合電極材料;②采用超聲霧化耦合靜電紡絲技術(shù)，制備具有三明治結(jié)構(gòu)的石墨烯/活性炭纖維復(fù)合電極材料;③以高介孔率商品活性炭為電極，在實(shí)驗(yàn)室組裝了CDI放大模塊，探索CDI技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用的可行性。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)以高介孔率CB材料作為基本結(jié)構(gòu)組元之一，能夠有效調(diào)控電紡法

4、制備的活性炭纖維電極的孔徑分布并改善其導(dǎo)電能力。制備得到的CB與ACF復(fù)合電極材料(CB/ACF)，具有微孔-介孔-大孔分布的多級(jí)孔“l(fā)ine-to-point”結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電炭黑的存在有效改善了ACF的雙電層電容特性，降低了ACF的等效串聯(lián)電阻和荷電轉(zhuǎn)移電阻。CB/ACF900電極在1.6 V電壓下的電吸附容量可達(dá)到6.5 mg g-1;多次循環(huán)后，脫鹽量仍能保持在6.1 mg g-1以上，顯示出較好的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　(2)以長(zhǎng)徑

5、比較大的一維CNT材料為基本結(jié)構(gòu)組元之一，創(chuàng)制出孔道結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電能力均有明顯改善的一體化CNT/ACF復(fù)合材料，CNT/ACF-10復(fù)合纖維材料具有較高中孔率的雙一維“l(fā)ine-in-line”結(jié)構(gòu)。CNT的引入明顯提高了CNT/ACF復(fù)合電極材料的電化學(xué)性能。在1.2 V電壓下，CNT/ACF-10電極材料的CDI脫鹽量及電流效率分別為6.4 mg g-1和25％，表現(xiàn)出良好的電吸附性能。
　　(3)以二維材料石墨烯為基本結(jié)構(gòu)組元

6、之一，采用原位靜電紡絲技術(shù)制備出具有較高導(dǎo)電能力、較大中孔孔隙率的“l(fā)ine-plane-line”結(jié)構(gòu)RGO/ACF復(fù)合材料。在1.2 V電壓下，RGO/ACF-10電極材料的CDI脫鹽量達(dá)到7.2 mg g-1;添加RGO得到的RGO/ACF-X電極材料的脫鹽量及電流效率均高于不添加RGO的純ACF電極。
　　(4)將超聲霧化技術(shù)與靜電紡絲技術(shù)耦合，制備出具有三明治夾層“l(fā)ine-in-plane”結(jié)構(gòu)的S-RGO/ACF復(fù)合

7、電極材料;所制備的S-RGO/ACF具有大面積的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，其ACF纖維的表面粗糙度顯著增加，對(duì)鹽離子的吸附與脫附能力顯著增強(qiáng)。在1.2 V電壓下，S-RGO/ACF復(fù)合電極材料脫鹽量達(dá)到9.2 mg g-1，電流效率為33.4％。
　　(5)以高比表面積商用超級(jí)活性炭(AC)為CDI電極活性組分，聚偏氟乙烯(PVDF)為粘結(jié)劑，導(dǎo)電炭黑為導(dǎo)電劑，采用刮膜法制備CDI電極并組裝了放大的CDI裝置，考察電極電壓、吸附時(shí)間、進(jìn)水濃度對(duì)電