【摘要】：伴隨全球范圍的經(jīng)濟(jì)騰飛和工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展擴(kuò)大,水資源短缺已經(jīng)開(kāi)始成為人類文明發(fā)展的掣肘。眾所周知,地球的水資源是十分豐富的,但幾乎全部(~98%)是咸水(包括海水以及江河入海的苦咸水),很難直接用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中。僅占2%的淡水資源大部分以固態(tài)形式存在于遙遠(yuǎn)的極地,使其利用成本大幅度提升。于是,海水及苦咸水淡化便成了有望從根本上解決水危機(jī)的唯一途徑。目前,已經(jīng)發(fā)展起來(lái)多種淡化技術(shù),從最原始的蒸餾、離子交換,到新興的膜脫鹽技術(shù)(反滲透、電滲析),以及蒸餾技術(shù)的變種、革新技術(shù)(膜蒸餾、閃蒸)等等。然而,目前主流淡化技術(shù)均有著其致命的缺陷,包括高能耗、低效率、占地面積大、膜結(jié)垢、二次污染等等。電容去離子(電吸附)技術(shù),作為一種新興的電脫鹽技術(shù)從上世紀(jì)80年代開(kāi)始受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注,憑借其低能耗、高效率、無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)迅速成為研究人員關(guān)注的另一個(gè)焦點(diǎn)。由于電容去離子技術(shù)是基于電化學(xué)雙電層原理的一種脫鹽技術(shù),其技術(shù)核心和性能的關(guān)鍵無(wú)疑是其電極材料,因此,電極材料也受到了研究人員最多的關(guān)注。本論文針對(duì)生物質(zhì)(蠶繭)衍生的碳纖維材料進(jìn)行了研究,并將其作為電極材料應(yīng)用于電容去離子中,系統(tǒng)地研究了其電容去離子性能與材料結(jié)構(gòu)、形貌的關(guān)系,進(jìn)而優(yōu)化得到性能最佳的電容去離子電極材料。并進(jìn)一步對(duì)其電容去離子過(guò)程進(jìn)行了熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及能耗分析。研究發(fā)現(xiàn):1、生物質(zhì)衍生氮摻雜活性碳纖維具有優(yōu)良的電化學(xué)性能,以其作為電極的超級(jí)電容器的比電容為236.03 F g~(-1);2、生物質(zhì)衍生氮摻雜活性碳纖維具有良好的電吸附性能,在1000 mg L~(-1)的NaCl溶液中具有高達(dá)16.56 mg g~(-1)的比吸附量;3、活化過(guò)程對(duì)于生物質(zhì)衍生氮摻雜活性碳纖維的電化學(xué)及電吸附性能提升明顯,其原因在于活化過(guò)程提高了材料的表面積、并且優(yōu)化了其孔徑分布;4、生物質(zhì)衍生氮摻雜活性碳纖維的電吸附過(guò)程符合一階動(dòng)力學(xué),并且,隨外加電壓的上升吸附速率常數(shù)先升后降,上升原因在于電場(chǎng)強(qiáng)度的提升,而下降的原因在于電化學(xué)反應(yīng)抑制了電吸附過(guò)程的速率;5、生物質(zhì)衍生氮摻雜活性碳纖維的電吸附過(guò)程符合朗繆爾吸附模型,表明離子的吸附過(guò)程為單層吸附,并且,吸附過(guò)程以物理吸附為主,并沒(méi)有化學(xué)吸附或化學(xué)反應(yīng)參與;6、生物質(zhì)衍生氮摻雜活性碳纖維的能耗分析顯示,電壓對(duì)電容去離子器件的能耗影響很大,尤其是1.2 V以后,呈指數(shù)上升趨勢(shì),由此可見(jiàn),將電壓控制在水的分解電壓以下(1.23V),對(duì)于控制電容去離子器件的能耗是至關(guān)重要的。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：P747
【圖文】：

沒(méi)有足夠的水供應(yīng)，我們很可能無(wú)法生產(chǎn)生物燃料這樣的能源。另一方面，我們也需要大量的能量來(lái)淡化海水以供飲用。圖1.1 世界范圍內(nèi)的各大陸人均水資源量和降雨量水平。在 21 世紀(jì)的轉(zhuǎn)折中，Shawn Tully 在財(cái)富雜志上發(fā)表了一篇文章指出[3]，水將是“本世紀(jì)的石油”。事實(shí)上，像法國(guó)蘇伊士集團(tuán)和維旺迪這樣的大公司都在把他們的未來(lái)收入押注于水資源的短缺和更高的價(jià)格上。圖 1.1 展示了世界上每個(gè)大陸的人均降水量和人均可用水量。人們很容易注意到，人數(shù)最多的大洲，亞洲和非洲，水量也是最少的。

[4]。圖1.2 用于發(fā)展中國(guó)家和高收入國(guó)家的水的類型。眾所周知，全球 98%的水域都是海洋水或咸水，我們必須找到更新、更有效、性價(jià)比更高的方法從這些水域中除去鹽。事實(shí)上，悉尼、珀斯、新加坡、洛杉磯、約翰內(nèi)斯堡、朱拜勒、拉斯拉凡和邁阿密等主要城市或是在建造或是在設(shè)計(jì)大型的海水淡化廠。目前研究者們認(rèn)為作為一種新興的水處理技術(shù)，電容去離子可能會(huì)在提供飲用水和能源節(jié)約上很有競(jìng)爭(zhēng)力。而為了更有競(jìng)爭(zhēng)力，電容去離子也必須在資本和運(yùn)營(yíng)成本方面與更成熟的方法進(jìn)行比較[5]。1.2 現(xiàn)階段的除鹽技術(shù)典型的溶解鹽在海水和鹽水中的濃度分別為35000和1000 mg L-1。最廣泛應(yīng)用的海水淡化過(guò)程包括：1、膜分離技術(shù)：反滲透和電滲析；2、熱分離技術(shù)：多級(jí)閃蒸蒸餾、多效蒸餾和機(jī)械蒸汽壓縮。在這些過(guò)程中，反滲透和多級(jí)閃蒸的方法是被應(yīng)用于用于海水淡化最多的方法。為了更直觀的看到所有這些過(guò)程和它們對(duì)海水淡化市場(chǎng)的影響，在Chaudhry的文章中我們提到

淡化最多的方法。為了更直觀的看到所有這些過(guò)程和它們對(duì)海水淡化市場(chǎng)的影響，在Chaudhry的文章中我們提到，如圖1.3和1.4，在以膜為基礎(chǔ)的工廠中，86%屬于反滲透工廠，而電滲析的工廠只占到14%。同樣也說(shuō)明了，雖然使用反滲透膜的工廠比使用熱分離方法的工廠多，但兩種水處理的總水量幾乎是相等的。電滲析有一種特質(zhì)，即作為一種膜過(guò)程，驅(qū)動(dòng)力

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 劉勇;氮摻雜碳納米材料的制備及其在電容去離子中的應(yīng)用[D];華東師范大學(xué);2016年

本文編號(hào)：2771452