活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　由于淡水需求的激增，这给我们有限的供水带来了压力。作为回应，许多地区采用海水淡化作为补充水供应的手段。使用活性炭充当电极的膜电容去离子是从微咸水中去除盐离子的好方法。我们对这种方法进行了系统研究，以研究施用电位和盐浓度对使用活性炭作为电极的膜电容去离子系统中的盐吸附容量，充电效率和能量消耗的影响。我们研究了活性炭作为电极在活化之前和之后的比较膜电容去离子的性能。此外，还在各种应用电位下使用动力学模型和等温线研究吸附机理。

　　对于微咸水去盐离子使用电容去离子是常用方法，然而，电容去离子的工业应用受到其电极材料的低盐吸附容量和低操作充电效率的阻碍。为了缓解这些问题，将离子交换膜以称为膜电容去离子的形式放置在电极前面。为了补充膜电容去离子的优点，已经进行了大量研究以开发具有高表面积，更好的孔径分布和优异的导电性的电极材料。其中，活性炭，碳气凝胶，石墨烯复合物，碳纳米管，纳米纤维，中孔碳等已被研究作为有前途的电极材料。遗憾的是，大多数这些材料是使用石油衍生的化学品合成的，这些化学品是有限的且不可再生的，涉及繁琐的合成工艺，因此增加了生产应用的成本。因此，开发用于高性能低成本的方法，环保型活性炭电极材料是非常重要的。

　　活性炭的结构和形态特征

　　活性炭的原材料由互连的纤维网络组成(图1)。在碳化和活化之后，由于原材料的固有纤维结构，两种制成的活性炭在(图1)的SEM图像中观察到大的多孔结构。这些活性炭的孔隙良好互连的结构可以作为离子物质快速扩散的有效途径。

　　图1：(a)未活化的活性炭和(b)活化后活性炭的SEM图像。

　　活性炭的电吸附实验

　　如图2的示意图所示构建膜电容去离子的实验装置，装置由一对离子交换膜组成，放置在活性炭电极前面，夹着尼龙垫片。以与用于电化学表征的方式相同的方式制备电极，所用的活性炭总质量约为100毫克。进行批量模式实验以评估活性炭电极的脱盐性能。使用蠕动泵以50mL min-1的流速在膜电容去离子池和储罐之间循环NaCl溶液。使用电导率计在出口处每10秒监测电导率。

　　图2：活性炭用于膜电容去离子应用的电吸附性能。

　　活性炭的电化学性能

　　在不同扫描速率下观察到两种活性炭的准矩形CV曲线(图3a)，这暗示了非理想的电容行为。我们还观察到活化后的活性炭的CV环路较大，这意味着它具有比未活化的活性炭更大的电容(图3b)。具体电容的总结如图3c所示，活化后活性炭获得的高电容为270，而没活化的活性炭为125。这种高电容可归因于诸如高表面积，分级孔径分布和活性炭的表面润湿性等因素。对于两种活性炭，由于电解质不足以扩散到电极材料的内孔中而观察到对应于扫描速率增加的比电容的降低。

　　图3:活性炭在含有NaCl电解质溶液的三电极系统中测量的电化学性能。

　　活性炭的微咸水淡化性能

　　在充电步骤期间，在两个电极上向膜电容去离子施加正电势，以从已知NaCl浓度的溶液中吸附离子，并施加负电位以使电极放电并排出废物流中的离子。图4a显示了在NaCl溶液中0.8V至1.2V的各种电位下，活性炭在初始浓度2500mg L-1下的脱盐性能。在所有施加的电位中，在充电期间首先观察到溶液电导率的急剧下降，并且当吸附接近平衡时，电导率的变化减小直至达到平台。图4b示出了具有增加电势的正相关电流瞬变，而图4c显示了活性炭电极在不同施加电位下的盐吸附容量。从0.8V到1.2V，盐吸附容量从23增加到38mg g-1，表明更高的电池电位可以提高电吸附能力。观察到的现象可归因于强静电力的存在以及在增加的电压下形成较厚的双电层。图4d示出了活性炭电极的循环稳定性，在2500mg L-1的NaCl溶液超过20次充放电循环而没有去除能力任何明显的损失。该结果证实了使用活性炭当电极可以再生和重复使用而没有任何损耗，活性炭是成为用于膜电容去离子应用的电极材料的好材料。

　　图4:(a)活性炭电极在不同电压下的电吸附行为，(b)相应的电流响应，(c)除盐能力，(d)电极的去离子和再生曲线。

　　最后总结，我们制备的活性炭呈微/中孔分层结构，比表面积高，电化学性能优异。它们被开发为膜电容去离子的电极，以从微咸水中除去盐。我们设法在一个2500mg L-1的NaCl溶液中，活性炭电极在1.2V时达到38mg g-1的脱盐性能，比未活化的活性炭电极高72%。当通过活性炭扩散时，活性炭电极中的中孔和微孔的组合降低了NaCl离子的电阻，并且微孔为离子吸附提供了大的表面积。我们的结果表明，使用低成本的材料生产出的活性炭可以用于膜电容去离子脱盐。

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