活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　由于淡水需求的激增，這給我們有限的供水帶來了壓力。作為回應，許多地區采用海水淡化作為補充水供應的手段。使用活性炭充當電極的膜電容去離子是從微咸水中去除鹽離子的好方法。我們對這種方法進行了系統研究，以研究施用電位和鹽濃度對使用活性炭作為電極的膜電容去離子系統中的鹽吸附容量，充電效率和能量消耗的影響。我們研究了活性炭作為電極在活化之前和之后的比較膜電容去離子的性能。此外，還在各種應用電位下使用動力學模型和等溫線研究吸附機理。

　　對于微咸水去鹽離子使用電容去離子是常用方法，然而，電容去離子的工業應用受到其電極材料的低鹽吸附容量和低操作充電效率的阻礙。為了緩解這些問題，將離子交換膜以稱為膜電容去離子的形式放置在電極前面。為了補充膜電容去離子的優點，已經進行了大量研究以開發具有高表面積，更好的孔徑分布和優異的導電性的電極材料。其中，活性炭，碳氣凝膠，石墨烯復合物，碳納米管，納米纖維，中孔碳等已被研究作為有前途的電極材料。遺憾的是，大多數這些材料是使用石油衍生的化學品合成的，這些化學品是有限的且不可再生的，涉及繁瑣的合成工藝，因此增加了生產應用的成本。因此，開發用于高性能低成本的方法，環保型活性炭電極材料是非常重要的。

　　活性炭的結構和形態特征

　　活性炭的原材料由互連的纖維網絡組成(圖1)。在碳化和活化之后，由于原材料的固有纖維結構，兩種制成的活性炭在(圖1)的SEM圖像中觀察到大的多孔結構。這些活性炭的孔隙良好互連的結構可以作為離子物質快速擴散的有效途徑。

　　圖1：(a)未活化的活性炭和(b)活化后活性炭的SEM圖像。

　　活性炭的電吸附實驗

　　如圖2的示意圖所示構建膜電容去離子的實驗裝置，裝置由一對離子交換膜組成，放置在活性炭電極前面，夾著尼龍墊片。以與用于電化學表征的方式相同的方式制備電極，所用的活性炭總質量約為100毫克。進行批量模式實驗以評估活性炭電極的脫鹽性能。使用蠕動泵以50mL min-1的流速在膜電容去離子池和儲罐之間循環NaCl溶液。使用電導率計在出口處每10秒監測電導率。

　　圖2：活性炭用于膜電容去離子應用的電吸附性能。

　　活性炭的電化學性能

　　在不同掃描速率下觀察到兩種活性炭的準矩形CV曲線(圖3a)，這暗示了非理想的電容行為。我們還觀察到活化后的活性炭的CV環路較大，這意味著它具有比未活化的活性炭更大的電容(圖3b)。具體電容的總結如圖3c所示，活化后活性炭獲得的高電容為270，而沒活化的活性炭為125。這種高電容可歸因于諸如高表面積，分級孔徑分布和活性炭的表面潤濕性等因素。對于兩種活性炭，由于電解質不足以擴散到電極材料的內孔中而觀察到對應于掃描速率增加的比電容的降低。

　　圖3:活性炭在含有NaCl電解質溶液的三電極系統中測量的電化學性能。

　　活性炭的微咸水淡化性能

　　在充電步驟期間，在兩個電極上向膜電容去離子施加正電勢，以從已知NaCl濃度的溶液中吸附離子，并施加負電位以使電極放電并排出廢物流中的離子。圖4a顯示了在NaCl溶液中0.8V至1.2V的各種電位下，活性炭在初始濃度2500mg L-1下的脫鹽性能。在所有施加的電位中，在充電期間首先觀察到溶液電導率的急劇下降，并且當吸附接近平衡時，電導率的變化減小直至達到平臺。圖4b示出了具有增加電勢的正相關電流瞬變，而圖4c顯示了活性炭電極在不同施加電位下的鹽吸附容量。從0.8V到1.2V，鹽吸附容量從23增加到38mg g-1，表明更高的電池電位可以提高電吸附能力。觀察到的現象可歸因于強靜電力的存在以及在增加的電壓下形成較厚的雙電層。圖4d示出了活性炭電極的循環穩定性，在2500mg L-1的NaCl溶液超過20次充放電循環而沒有去除能力任何明顯的損失。該結果證實了使用活性炭當電極可以再生和重復使用而沒有任何損耗，活性炭是成為用于膜電容去離子應用的電極材料的好材料。

　　圖4:(a)活性炭電極在不同電壓下的電吸附行為，(b)相應的電流響應，(c)除鹽能力，(d)電極的去離子和再生曲線。

　　最后總結，我們制備的活性炭呈微/中孔分層結構，比表面積高，電化學性能優異。它們被開發為膜電容去離子的電極，以從微咸水中除去鹽。我們設法在一個2500mg L-1的NaCl溶液中，活性炭電極在1.2V時達到38mg g-1的脫鹽性能，比未活化的活性炭電極高72%。當通過活性炭擴散時，活性炭電極中的中孔和微孔的組合降低了NaCl離子的電阻，并且微孔為離子吸附提供了大的表面積。我們的結果表明，使用低成本的材料生產出的活性炭可以用于膜電容去離子脫鹽。

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