[发明专利]一种不对称电容去离子模块的电极制备及应用

说明书

一种不对称电容去离子模块的电极制备及应用，属于电容去离子技术领域。该不对称电容去离子模块包含两个电极：其中一个电极采用硝酸处理后活性炭作为活性物质，另一个电极采用季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭作为活性物质。硝酸处理后活性炭表面带有大量的羧基等负电官能团，而季铵化的聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭表面带有正电荷。该不对称电容去离子模块具有脱盐量高，吸附过程电流效率高，吸附速率快等优点，具有良好的工业应用前景。

技术领域

本发明涉及一种不对称电容去离子模块的电极制备及应用，其属于水处理科学技术分支——电容去离子技术领域。具体涉及采用经过表面修饰的活性炭作为电容去离子的电极活性物质进行水处理。

背景技术

地球具有丰富的水资源，但其中淡水资源仅占2.7%，并且大部分淡水为难以被利用的冰川水。另外，淡水资源还存在严重的分布不均问题，淡水资源匮乏已成为许多国家发展的瓶颈。鉴于地球上具有丰富的海水及苦咸水资源，脱盐成为解决淡水资源匮乏这一问题的有效途径。电容去离子是一种基于电容原理的新兴脱盐技术，具有能耗低，无二次污染等优点，尤其适用于处理浓度在500-5000 ppm之间的苦咸水。一个典型的电容去离子模块由两个对立放置的电极组成，盐溶液流过两电极间的通道，当在两电极间施加一个电压时，盐溶液中的离子会被吸附到电极上，达到吸附平衡后，可以通过短接或者反接电压对电极进行再生。

电容去离子模块所用电极材料多为孔道结构发达的碳材料，因此在不施加电压的情况下，电极也会吸附一定量的离子。当施加电压时，电极上不仅会发生与其带有相反电荷离子（反离子）的吸附，同时也会发生与其带有相同电荷离子（同名离子）的脱附。这种对同名离子的排斥被称为同名离子排斥效应。同名离子排斥效应会导致电流利用效率的降低和耗电量的增加。

另外，通过采用表面带负电的材料作为阳极，采用表面带正电的材料作为阴极，施加电压时进行离子的脱附，短接两电极时进行离子的吸附，即反式的电容去离子过程可以有效地提高电容去离子模块的操作稳定性。这种反式电容去离子模块的操作电压受限于两个电极的零电荷电位之差。而现有的不对称电容去离子模块进行反式电容去离子过程时，电压窗口偏小，导致脱盐量及脱盐速率过低，难以实现工业化生产。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种不对称的电容去离子模块。该模块包含一个带负电官能团修饰的活性炭电极和一个带正电聚合物修饰的活性炭电极，将该模块用于电容去离子，其表现出脱盐量高、电流效率高、脱盐速率快等特点。

一种不对称电容去离子模块，所述模块依次由有机玻璃板、钛集流体、以硝酸处理后活性炭为活性物质的电极、无纺布、硅胶垫片，无纺布、以季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭为活性物质的电极、钛集流体和有机玻璃板组成。

所述以硝酸处理后活性炭为活性物质的电极的制备方法包括以下步骤：

（a）将硝酸与去离子水以1:3-3:1的体积比混合均匀制成硝酸溶液，将1-5 g活性炭加入硝酸溶液中，活性炭与硝酸溶液的比例为1g： 5-80 mL，50-80 °C 处理4-6 h，得到硝酸处理后活性炭；所述硝酸的浓度为8-16 M；

（b）将硝酸处理后活性炭与导电炭黑以6:1-10:1的质量比混合均匀得到硝酸处理后活性炭与导电炭黑的混合物，加入N, N-二甲基乙酰胺，搅拌均匀后，加入聚偏氟乙烯的N, N-二甲基乙酰胺溶液，所述硝酸处理后的活性炭与聚偏氟乙烯的质量比为6:1-10:1；搅拌过夜后，涂布到石墨纸上，涂膜厚度为100-600 μm，涂布后的石墨纸在40-120 °C下干燥2-24 h，得到以硝酸处理后活性炭为活性物质的电极。

所述以季铵化聚四乙烯基吡啶包覆的活性炭为活性物质的电极的制备方法包括以下步骤：