[发明专利]一种电极材料及其制备方法与在水体氯离子和钠离子去除中的应用

说明书

本发明公开了一种电极材料及其制备方法与在水体氯离子和钠离子去除中的应用。本发明公开的一种电极材料为层状结构的铋基材料，铋基材料为碱金属与铋元素共占位的MBisubgt;3/subgt;Osubgt;4/subgt;Xsubgt;2/subgt;，M为碱金属，X为卤素。本发明公开的电极材料具有电化学可逆相变反应特点的层状结构材料，由于其层状结构和所含铋元素与碱金属元素共占位特点，基于可逆的相变反应，对含有氯离子和钠离子的水体具有阴阳离子去除性能。将该铋基材料用于电化学离子去除系统中，能够有效除去水源中的氯离子和钠离子，且具有较高的去除容量，并能够循环使用。

技术领域

本发明涉及电化学离子去除技术领域，尤其是涉及一种电极材料及其制备方法与在水体氯离子和钠离子去除中的应用。

背景技术

水是人类赖以生存的基本物质，随着我国经济的高速发展，淡水资源紧缺和水污染问题逐渐凸显。通过合适的技术方法对海水和污废水进行离子去除，可以有效地解决淡水资源紧缺和水污染问题，加快我国的生态文明建设和人民生活品质的提高。海水淡化需要去除海水中的钠离子和氯离子等离子。水体卤素离子和金属离子等主要来自于电镀业、机械加工、矿山开采、有色金属冶炼等，卤素离子主要包含氯离子、氟离子、溴离子、碘离子、次氯酸根离子等；金属离子主要包含铬离子、钴离子、镍离子、铜离子、锌离子、砷离子、铅离子、镉离子、汞离子等。目前的海水淡化技术(电渗析、反渗透、蒸馏等)以及污废水处理技术(吸附、共沉淀、生物吸收等)在成本、能耗、有无二次污染、离子去除多样性等方面存在不足。

电化学离子去除技术因具有低能耗、高容量、电子无二次污染，可循环等优势，在电容式和法拉第电化学离子去除方面具有良好的应用前景。然而，1966年报道的双电层电容式离子去除电化学法，由于电极材料比表面积和孔道结构的限制，存在着离子去除容量低的问题。2012年提出的电池式离子去除技术(BDI)基于法拉第电化学反应的体相反应，具有离子去除容量高的优点。但是目前适用此类技术的电极材料具有离子去除单一性问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种电极材料，能够同时去除水体中氯离子和钠离子。

本发明还提出一种制备上述电极材料的制备方法。

本发明还提出一种制备上述电极材料在水体离子去除技术的应用。

本发明还提出一种具有上述电极材料的电池式离子去除系统。

本发明还提出一种具有上述电池式离子去除系统的电化学离子去除系统。

本发明还提出上述电极材料、电池式离子去除系统以及电化学离子去除系统的应用。

本发明的第一方面，提出了一种电极材料，所述电极材料为层状结构的铋基材料，所述铋基材料为碱金属与铋元素共占位的MBi₃O₄X₂，所述M为碱金属，所述X为卤素。

根据本发明实施例的一种电极材料，至少具有以下有益效果：铋基材料为具有电化学可逆相变反应特点的层状结构材料，由于其层状结构和所含铋元素与碱金属元素共占位特点，基于可逆的相变反应，对含有氯离子和钠离子的水体具有阴阳离子去除性能；将该铋基材料用于电化学离子去除系统中，能够有效除去水源中的氯离子和钠离子，且具有较高的去除容量，并能够循环使用。同时，铋基材料的制备方法简单，原料易得，价格低廉，易于实现，便于工业大规模的生产应用。该电极材料对于污废水、海水淡化、饮用水等的离子去除具有重要的应用价值。

针对铋基材料NaBi₃O₄Cl₂，以去除水源中的氯离子和钠离子为例，实现NaBi₃O₄Cl₂/BiOCl/Bi之间的转换为例，反应机理如化学反应式(1)-(2)所示：