【摘要】：在人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程中,水資源危機(jī)己經(jīng)成為制約很多國家發(fā)展的重大問題。地球水資源儲(chǔ)量巨大,但是可供人類使用的淡水卻十分匱乏。地球上97.3%的水是由海水和高礦化度水組成的,可以直接使用的淡水資源僅占總水資源量的2.7%,這部分水以深層地下水或大陸冰川的形式存在,取用十分困難,如何利用脫鹽技術(shù)從海水、苦咸水中制備淡水以解決淡水供需矛盾,成為全球關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。電容除鹽(Capacitive desalination,CDI)作為一種高效能、高性價(jià)比的脫鹽技術(shù),彌補(bǔ)了傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)的以上不足,脫鹽處理后的水鹽含量低或適中。CDI是利用流通的電容器結(jié)構(gòu),通過電極吸引溶液中的正負(fù)離子并儲(chǔ)存在雙電層內(nèi)來實(shí)現(xiàn)海水或苦咸水淡化的新型脫鹽技術(shù),屬于一種低壓、無膜的鹽水淡化過程。電容除鹽技術(shù)的核心和關(guān)鍵是高性能的電極材料。目前,碳材料因其具有較高的比表面積和良好的電導(dǎo)率,被認(rèn)為是理想的CDI電極材料。本文主要介紹了三種不同碳復(fù)合材料電極的制備,并系統(tǒng)的分析了其微納米結(jié)構(gòu)的形貌、尺寸;在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步測試材料的電化學(xué)性能,并將材料組裝到CDI裝置中進(jìn)行了電容除鹽測試,測試材料應(yīng)用在CDI中的性能。主要研究內(nèi)容和結(jié)論分析如下:(1)通過靜電紡絲和碳化制備含有還原氧化石墨烯(RG)和碳納米管(CNT)的碳納米纖維。發(fā)現(xiàn)碳納米管的添加被嵌入在內(nèi)部纖維和石墨烯片內(nèi),這有利于提供更多的缺陷和中孔。在沒有任何粘合劑的情況下,三組分納米纖維直接用作CDI電極,其在500 mg L~(-1)NaCl溶液中顯示出13.6mg g~(-1)的脫鹽容量,在1000次循環(huán)之后具有顯著的循環(huán)穩(wěn)定性和98%的電容保持率充電-放電。還原氧化石墨烯和碳納米管的存在被發(fā)現(xiàn)有效地提高了電導(dǎo)率和電吸附效率。這種三組分碳納米纖維片材可用于制造用于各種CDI應(yīng)用的高性能電極。(2)在本研究中,我們使用電紡聚丙烯腈納米纖維和氧化石墨烯作為前體制備碳?xì)饽z。通過冷凍成型和隨后的碳化,獲得的氣凝膠表現(xiàn)出碳納米纖維和石墨烯之間的強(qiáng)互連。1D碳納米纖維和2D石墨烯片的組裝允許氣凝膠擁有獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu),并具有增加的電子傳遞速率。由s-PAN/GO-30制備的碳?xì)饽z電極在500 mg L~(-1) NaCl溶液中的電吸附容量高達(dá)15.7 mg g~(-1),在100次吸附-解吸循環(huán)中具有優(yōu)異的電吸附穩(wěn)定性。(3)為了提高對(duì)Na離子和Cl離子吸附能力,以聚丙烯腈(PAN)和醋酸鋅為原料,采用靜電紡絲和自刻蝕制備N摻雜的多孔碳納米纖維復(fù)合材料(PCNF-N)。在得到最優(yōu)孔徑多孔碳納米纖維的同時(shí),我們繼續(xù)在紡液里摻雜了硝酸鋰(LiNO_3),得到Li~+摻雜的多孔碳納米纖維復(fù)合材料(Li~+/PCNF-N)。結(jié)果表明,PCNF-N不僅具有較高的比表面積和豐富的氮含量,而且還能增強(qiáng)電子的傳導(dǎo)。使PCNF-N復(fù)合材料在電化學(xué)測試中具備更好的循環(huán)穩(wěn)定性,以及優(yōu)異的比電容(218.4 F g~(-1))和電吸附容量(16.7mg g~(-1))。進(jìn)一步摻雜Li~+,可以形成附加的擴(kuò)散層,有助于吸附并儲(chǔ)存更多的Cl~-。
【學(xué)位授予單位】：上海電力學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O646.54;TB33
【圖文】：

上海電力學(xué)院碩士學(xué)位論文面積的材料制成電極，在電場作用下電極材料與溶液中離子形成雙電層（依托電子、離子或偶極子的定向移動(dòng)的非法拉第過程），利用帶電電極表面的電化學(xué)特性來實(shí)現(xiàn)溶液脫鹽的目的[6,9]，如圖 1-1（a）所示。當(dāng)把兩電極短接或者反接時(shí)，被吸附在電極材料空隙中的鹽離子將會(huì)從電極材料上自動(dòng)脫附下來，進(jìn)入到水溶液中，從而實(shí)現(xiàn)電極的再生，如圖 1-1（b）所示。電容除鹽技術(shù)與已有的海水淡化方法相比具有以下技術(shù)優(yōu)勢：（1）利用低壓直流電源供電，節(jié)能和成本效益高；（2）電極可通過短接或者互換極性的方式再生，沒有二次污染；（3）電容器放電過程中的電能可被回收利用或儲(chǔ)存；（4）電極吸附過程中進(jìn)、出水量是守恒的，只有帶電離子被滯留，因此 CDI 產(chǎn)水回收率高[10-12]。正是由于上述特點(diǎn)和優(yōu)勢，CDI 技術(shù)在近年來取得了巨大的增長，并有望在海水或苦咸水淡化、工業(yè)廢水處理、電廠廢水處理、電鍍廢水重金屬的回收利用等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[13]。

GAC的合成路線示意圖

圖 1-3 CNT/G 的合成示意圖[45]圖 1-4 摻雜有錳和鐵的 SEM 照片[46]1.3.3 碳基電極材料復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)新型的多孔納米碳纖維網(wǎng)正受到越來越多人的關(guān)注。近年來，靜電紡絲技術(shù)由于其可制備出高比表面積、高孔隙率和結(jié)構(gòu)可調(diào)的納米纖維結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)點(diǎn)，在 CDI 領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景[47]。Wang 等[48]用活性碳纖維（ACF）和聚丙烯腈（PAN）制成紡

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2764209