[发明专利]一种多孔碳电极材料在电吸附技术中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔碳材料的新用途，具体涉及将以乙二胺四乙酸及其盐为碳源，通过无机碱进行扩孔，合成的多孔碳材料具有大比表面积和大的电容，适合用作电吸附材料用于海水淡化技术。

技术背景

目前在海水淡化处理过程中使用最为广泛的除盐方法包括压力-膜法除盐如反渗透（RO）以及纳滤法（NF）等；电-膜法除盐如电渗析（ED），连续电去离子器（CDI）以及填充床电渗析（EDI）等；热力法除盐如竖管多效蒸馏（MED），蒸馏法，机械蒸汽压缩蒸馏（MVC）以及多级闪急蒸馏（MSF）等；化学除盐法如药剂沉淀法以及离子交换法等。然而，这些方法都各自存在不足之处，蒸馏技术能耗大，离子交换技术会产生二次污染，电渗析和反渗透技术的膜成本高而且不易再生。

电吸附技术（EST，Electrosorb Technology）作为一种新型的水处理技术引起了人们的广泛关注。20世纪90年代末开始兴起的一项新型水处理技术-电吸附技术是将电化学理论和吸附分离技术相结合，以直流电作为推动力，形成的一种有效的除盐方法，也被称为电容性除盐技术（Capacitive Deionization/Desalination Technology），因其具有不存在二次污染、操作以及维护简便、可长期使用，寿命长、运行成本低廉以及使用能量消耗低的优势，作为一种高效率的新型除盐技术，有着长远的发展前景。

目前，电吸附除盐技术所用的多孔电极材料多如活性炭、活性炭纤维、碳气凝胶、纳米碳管等，传统碳材料电极因为比表面积不够高、孔径分布不均匀或是电容较小的问题，因此除盐效率低，并且价格昂贵，制备工艺复杂综合起来都不是很理想的电极材料。J.Mater.Chem.,2012,22,23835-23844中Zhang等以SiO₂为硬模板，三嵌段共聚物F127为软模板合成的三维立体多孔碳材料，运用于电吸附处理30ml初始浓度为30mg/L的氯化钠溶液，电吸附量为2.16mg/g。Carbon,2009,47,775-781中Morris等通过一种用金属镍盐改进的溶胶凝胶法制备了有序介孔碳材(OMCs)运用于电吸附，在浓度为0.1mol/L的NaOH溶液中相比于其他碳表现出了更好的电容特性，吸附量为0.93mg/g。J.Mater.Chem.,2012,22,14101-14107中Hao等通过酚醛树脂的加入降低了氧化石墨的聚合，使得烧结后的还原氧化石墨烯孔径发生变化，制备出了高比表面积，高吸附量的电极材料。电吸附处理200mL初始浓度为40mg/L的原溶液，电吸附量3.47mg/g。

本研究是探索将一种新型多孔碳材料应用于电吸附技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型多孔碳材料的应用，该材料是采用乙二胺四乙酸及其盐作碳源，无机碱进行扩孔合成具有大比表面积，孔径分布均匀并且具有大电容的新型多孔碳材料，将其应用于电吸附技术具有显著效果。

本发明选用的多孔碳材料的制备方法是：将无机碱与乙二胺四乙酸或其盐按1:1-4的质量比研磨均匀后，在惰性气体保护中于管式炉中以5-10℃/min的升温速率升至600-800℃煅烧1-2h。所述的乙二胺四乙酸盐为乙二胺四乙酸二钾、乙二胺四乙酸三钾、乙二胺四乙酸二钠、乙二胺四乙酸铁钠、乙二胺四乙酸二钠钙、乙二胺四乙酸二钠锌、乙二胺四乙酸二钠锰、乙二胺四乙酸二钠镁、氨三乙酸、顺丁烯二酸中的一种；所述的无机碱为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂中的一种。该材料的制备方法在中国专利申请：201310036292.X中有详细介绍。

将多孔碳材料应用于电吸附的方法是：

将上述碳电极材料、导电炭黑及粘合剂按质量份数为75-85：10-15：5-10的配比混合，再溶于等质量的无水乙醇中，超声分散1-2h，压片粘结到石墨纸上，作为工作电极，对电极为石墨纸或碳电极材料，组装成电吸附电极模块，再将该电吸附电极模块组装到电吸附装置中进行使用。所述的粘合剂是60%的聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯PVDF。

电吸附装置如图1所示，主要部件由1-提供恒定电压的电源，2-钠离子测量计，3-电吸附电极模块，4-待吸附溶液槽和5-蠕动泵组成。其中3、4、5之间用管道连接。