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电容去离子是一种新型脱盐技术，由于双电层在电容去离子中起着重要作用，因此脱盐性能受到电极材料的物理和化学性质的强烈影响。通常，碳材料因其优异的电性能和低成本而在电容去离子中用作电极材料。活性炭是最常见的碳材料，并且作为碳纳米管其他变体，例如石墨烯和模板碳也已经在电容去离子技术用于脱盐。这项研究的目的是研究交流电极中的亲水性对膜电容去离子中最大容量利用率的影响。选择两种活性炭(疏水性炭和亲水性炭)作为电极材料，并将它们进行比较，因为它们具有相似的比表面积但亲水性不同。最后分析活性炭对膜电容去离子脱盐的影响。
活性炭脱盐实验
方案1中描述了用于检查脱盐性能的膜电容去离子系统。每个电极由作为集电器的石墨，交流电极和IEM组成。将阴离子交换膜和阳离子交换膜分别放在阳极和阴极上。一对电极由厚度为110 µm的尼龙垫片隔开。使用蠕动泵将进料水供应到电解池。处理后的溶液直接流过电导率仪，随后使用单程模式。除了IEM的存在外，还以与电容去离子中使用的相同配置进行了CDI实验。使用电池循环器在1点分别施加电压10分钟。在充电步骤中为2 V，在放电步骤中为0V。从第三个循环获得数据，并从至少三个操作中计算出平均值，以实现可重复性。
方案1：膜电容去离子系统的示意图。
活性炭和电极的特性
总结了亲水和疏水活性炭的物理性质(对于粉末形式和电极形式)，例如总BET、SSA和总孔体积。两种活性炭的总BET、SSA相似。在电极制造之后，两个电极的物理性能都以大约20%的相似速率降低。减小的表面积和孔体积可以通过导电材料和粘合剂可能阻塞活性炭孔来解释。尽管两个活性炭具有相似的物理特性，但两个电极的润湿性似乎具有不同的行为，如图1a所示。1分钟后，亲水活性炭电极的接触角值从118°减小到0°，而疏水活性炭电极的接触角值从130°减小到115°。在亲水活性炭电极上的接触角的大的减小表明良好的润湿性。为了进一步分析YS-2电极的优异润湿性，进行了FT-IR分析，如图1b所示。已知当用气态氨处理活性炭时，可能会添加一个N末端官能团。亲水活性炭电极的这种特性导致水分子以及溶解的离子更快地吸附到电极中。
图1：(a)用疏水和亲水活性炭制造的两个电极的接触角随时间变化，以及(b)两种活性炭的FT-IR光谱。
活性炭电极亲水性对电容去离子性能的影响
图2以(a)归一化电导率曲线表示使用疏水和亲水活性炭电极的电容去离子性能。如图2a所示，在充电步骤期间，与疏水活性炭电极相比，归一化电导率在亲水活性炭电极的情况下显示出更低和更宽的下降。对于亲水活性炭电极，在充电步骤开始时，图2b中所示的特定电流也显得较高。图2的a，b在电容去离子表明更多离子在充电步骤中的初始几分钟吸附在亲水活性炭电极的表面上。这意味着在亲水活性炭电极上可以更快，更高地吸附盐。可以推断，由于水分子更容易进入微孔，因此亲水活性炭电极上离子的可及表面积大于疏水活性炭电极上的离子的可及表面积。
图2：使用疏水和亲水活性炭电极的膜电容去离子性能。
这项研究调查了活性炭对膜电容去离子中脱盐性能的影响。我们的实验使用了疏水和亲水活性炭，它们具有相似的比表面积，但由于C–N或C = N键合而具有不同的亲水性。结果表明，亲水性活性炭电极具有更大的盐吸附能力，表明活性炭的亲水性对脱盐性能具有积极作用。
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