[发明专利]一种用三维碳电极除盐的方法

说明书

本发明涉及一种用三维碳电极除盐的方法，属于海水淡化领域。本发明利用天然的木材作为碳前驱体，通过简单预碳化后活化工艺，制得三维碳骨架，将其制备成电容并用于电容除盐。这种碳骨架拥有大量垂直有序且相互平行、低弯曲度的大孔通道有利于电解液离子的直接传输扩散。而经过活化之后，在碳骨架内部同时产生了许多的微孔，这些微孔遍布在有序的通孔内壁上，这些大量的微孔提供了盐离子电吸附的场所。因此，这种结构的碳电极明显增强了盐溶液在电极内部的扩散，减短了离子到达微孔的时间和距离，最终使得除盐的性能得到了提升。

技术领域

本发明涉及一种用三维碳电极除盐的方法，属于海水淡化领域。

背景技术

电容除盐(Capacitive Deionization,CDI)是用来海水淡化的新兴技术。与目前商业化海水淡化技术相比(比如膜反涉透技术和多级闪烝除盐技术)，CDI技术拥有高效、低能耗、易微型化等优点。传统的CDI电极的制备工艺通常是由活性物质(通常是用活性碳)，粘结剂(PTFE或者PVDF)以及导电剂(通常是碳黑)三者通过混合搅拌，再刮涂到集流体(通常是碳纸)上，经过热压干躁后制得。但是，这种工艺在实际应用将面临以下难题：当电极要大批量制备时，由于不导电的粘结剂的量也增加，从而影响电极的导电性；通常需要进一步碳化以增加导电性，但是因为机械混合的不均匀，未与粘结剂充分接触的活性物质在碳化后经常脱离，甚者活性物质与集流体完全脱离，活性物质与集流体间的电阻加大，最终影响了电极实际除盐的性能。

有人提出，可以制备非粘结剂，不需要集流体的自支撑电极来改善这种情况。比如，利用活化造孔的商用碳布、三维的石墨烯泡沫、三维石墨烯凝胶以及静电纺丝的纤维状碳电极。但是，这些材料的生产成本很高，工艺也复杂，三维化的石墨烯其力学性能不足等原因限制了这些材料在实际的应用。因此，低成本、简单化工艺以制备一种新型无粘结剂、自支撑和高强度的碳电极用于CDI当中，仍然是一种挑战。

另一方面，很多CDI碳电极的研究工作中，为了增加电极材料与电解液的充分接触以减少液接电阻，一般都是涂覆一层薄薄活性物质。但是，在实际规模化的生产中，这种超薄电极的实际运用已经受到很多科学工作者的质疑。因为，规模化的海水淡化，必将用到大量活性物质，而低负载量就意味着超大面积的集流体，这无疑增加了生长成本和能量损耗，装置也要占用大量空间。相反的，如果提升单位面积上的负载量，以上几个问题便可以解决。但是，高负载量的碳电极，尤其是活性碳，它的孔道混乱无序，往往受到传质扩散缓慢影响到除盐性能。这种超厚的碳电极，电解液往往需要较长时间才能扩散到电极内部，甚至未必完全浸透，除盐容量下降的同时，除盐效率也大打折扣。因此，制备一种兼具高负载量和较优良电除盐性能(除盐量、除盐速率)的三维碳电极也是巨大挑战。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种电容除盐三维碳电极，该电极避免了粘结剂的使用，同时也不需要额外的集流体，自支撑成为电极，导电性的强度得到提高。另外，这种电极源自于可再生、易降解的天然木材，来源过泛成本低廉，制备工艺简单。这种厚电极在兼具有高载量的同时，电除盐的性能也能有一定保证，与同样质量、同样厚度的活性碳电极相比，电除盐性能也有较大的提升。

本发明的目的是通过技术方案实现的。

一种用三维碳电极除盐的方法，具体步骤如下：

步骤一、制备三维碳电极；利用天然的木材作为碳前驱体，通过简单预碳化后活化工艺，制得高负载量(50mg cm^-2)、孔道有序、导电性和力学强度优异的超厚(1.2～1.5mm)三维碳骨架，并将其用于电容除盐。

步骤二、选取两片尺寸(质量、厚度、表面积)一样的木材碳片，中间以隔膜隔开，组装成对称两电极。；

步骤三、将上述两电极体系放在反应器中，利用蠕动泵进行盐水流动，水流流速为20mL min^-1，在电极两端施加1.5V的电压即可进行除盐测试。

有益效果