【摘要】：水資源短缺和水環(huán)境的污染是困擾社會可持續(xù)發(fā)展的重大問題,而海水淡化技術則為解決水資源難題提供了有效的解決方案。目前常用的反滲透、閃蒸法和電滲析等水處理技術普遍存在高成本、高能耗和二次污染的問題。因此發(fā)展低成本,低能耗和高效率的水處理技術勢在必行。電容去離子(Capacitive deionization,CDI)是一種從水溶液中脫除可溶性帶電離子的新興技術方法,在苦咸水淡化、海水脫鹽、廢水治理等方面有潛在的應用前景。CDI有電容和法拉第反應(贗電容)兩種離子存儲機理,前者離子通過靜電吸附的雙電層方式存儲在電極孔道內部,以多孔碳作為電極材料。后者則是通過發(fā)生在電極表面的快速法拉第反應來存儲離子,以過渡金屬氧化物為電極材料。CDI脫鹽性能與電極材料和離子存儲機理息息相關,傳統(tǒng)碳材料存在理論吸附量低及電荷效率低等問題,極大限制了該技術的應用范圍。因此,本研究中利用氧化物嵌鈉電極和活性炭組成非對稱電吸附(A-CDI)脫鹽裝置。以嵌鈉電極為負極,通過法拉第反應捕獲鈉離子;以多孔碳材料為正極,通過雙電層來捕獲氯離子等。該系統(tǒng)在負極脫鹽過程中引入法拉第反應,有望提高系統(tǒng)的脫鹽量和電荷效率。本論文主要研究內容如下:1、通過水熱法制備了直徑200nm,長約4師的棒狀介孔材料Na0.7MnO2(NMO)。NMO為正交晶系,屬于Pbam群。電化學結果表明在1MNa2SO4溶液中,掃描速率為1mV/s時NMO的比電容為120.09F/g;當電流密度為0.5A/g時,NMO的比電容為49.22F/g。以NMO為負極,活性炭(AC)為正極組成A-CDI,分別在初始電導率為500μS/cm的NaCl、NaNO3、Na2S04溶液中測試其電容脫鹽性能。電吸附量分別為0.183、0.178、0.124 mmol/g,由于SO42-電荷數為2,結果歸一化后A-CDI對Na2S04的實際吸附量為0.248 mmol/g,實驗結果與陰離子的水合半徑順序相一致(SO42-Cl-NO3-),表明NMO對三種陰離子的選擇性吸附是與測試離子水合半徑和核電荷數相關。經過5次吸附-脫附循環(huán)實驗后,電吸附量沒有明顯下降,說明電極有較好的循環(huán)再生性。2、通過水熱法制備了 Na4Ti9O20(NTO)納米管。研究發(fā)現,隨著水熱溫度和反應時間的增加,NTO由片狀逐漸變?yōu)楣軤?當溫度為200 ℃,時間為4 h時,生成物為純相NTO納米管,管內徑為10 nm,管長300～500 nm,BET比表面積為142.432 m2/g,孔體積0.601 cm3/g,最可幾孔徑為2.789 nm。電化學研究表明,NTO在1 mV/s的掃速下的比電容為120.45 F/g;在0.5 A/g的電流密度下,首次放電容量為48.56 F/g。以NTO為負極,活性炭(AC)為正極組裝A-CDI脫鹽裝置,研究結果表明,AC/NTO的電吸附量為23.35 mg/g,電荷效率為84.45%。3、采用一步水熱法合成了 Graphene@Na4Ti9O20(rGO@NTO)復合物。結果表明,石墨烯可以較好地附著在NTO上,并把NTO納米管連在一起。通過EIS分析可知,rGO@NTO電阻明顯減小,更有利于電吸附的發(fā)生。電化學研究表明,rGO@NTO在1 mV/s的掃速下的比電容為125.2 F/g,且100 mV/s下依舊可以保持在33.94 F/g,表明電容保持率較純NTO相比,提高了20.48%;此外,在0.8 A/g的電流密度下,首次放電容量為55.60 F/g。CDI結果表明,AC/rGO@NTO的最大電吸附量為41.8 mg/g,電荷效率高達99.24%。文獻對比發(fā)現,電吸附量和電荷效率不僅高于AC/NTO,而且要遠遠高于其他相關電極材料(碳材料、石墨烯、金屬氧化物、MOFs)。另外,rGO@NTO動力學吸附過程符合Lagergren準一階動力學吸附方程,電極經過多次循環(huán)測試后表明再生性能良好。
【學位授予單位】：寧夏大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O646.54;P747
【圖文】：

程中當一個電子發(fā)生轉移時，會有一個陽離子吸附在負極，同時一個陰離子吸附在正極。電荷平逡逑衡的理論效率應該為１００％，但事實上，遠遠達不到該數值，因為電極在吸附相反電性離子的同逡逑時會將材料孔隙中的同電性離子排斥到溶液中，導致脫鹽量下降和能量的不充分利用（圖１－１所逡逑示）。在此基礎上，Ｇｏｕｙ和Ｃｈａｐｍａｎ［２ｔ）’２Ｉ］綜合考慮了電子密度梯度、熱振動效應等因素，提出逡逑了邋Ｇｏｕｙ－Ｃｈａｐｍａｎ擴散層模型，然而該模型忽略了離子間相互作用，同時認為電極與界面處的介逡逑電常數是恒定的，因此該模型并不完善。１９２４年，Ｓｔｅｍ［２２］結合了以上兩個模型，提出逡逑Ｇｏｕｙ－Ｃｈａｐｍａｎ－Ｓｔｅｍ（ＧＣＳ）模型。此模型將雙電層分為“內”層（Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ層）和“外”層（Ｄｉｆｆｉｉｓｅ逡逑層），內層離子整齊緊密排布在電極表面，外層大部分離子受到靜電作用和熱擴散影響而處于不逡逑斷運動狀態(tài)。通常，雙電層總電容可以表示為兩個電容串聯后的總電容量，如下所示：逡逑１１１逡逑＝邋｜邋——逡逑ｃＴ邋ｃＨ邋ｃＧ逡逑其中，ＣＴ為總電容量（Ｆ／ｇ）邋；邋ＣＨ和ＣＧ分別為Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ緊密層和Ｇｏｕｙ－Ｃｈａｐｍａｎ擴散層所代表逡逑的電容量（Ｆ／ｇ）。逡逑－２－逡逑

電極基礎上，通過化學處理，使碳凝膠表面帶負電荷，作為正極，與未經過處理的碳凝膠組成反逡逑向電容去離子（ｉｎｖｅｒｔｅｄｃａｐａｃｉｔｉｖｅ邋ｄｅｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ，邋ｉ－ＣＤＩ），經過測試發(fā)現，此模塊在０．８邋Ｖ工作電壓逡逑下可以連續(xù)脫鹽６００ｈ，遠遠高于普通碳凝膠電極（見圖１－２（Ｄ））。逡逑Ｃｕｉ和Ｙｏｏｎ［２７’２８］分別于２０１２年和２０１４年提出脫鹽電池（Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ邋ｂａｔｔｅｒｙ）和雜化電容去逡逑離子（Ｈｙｂｒｉｄ邋ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ邋ｄｅｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ＨＣＤＩ）的概念，首次將法拉第反應引入ＣＤＩ中，通過化學逡逑鍵而非雙電層捕捉離子，極大提高了能量利用率和脫鹽量（見圖１－２邋（Ｅ？Ｆ））。逡逑以上ＣＤＩ操作模式均為靜止電極，幻１１１［２３］等在２０１３年首次提出流動電容去離子（Ｆｌｏｗ逡逑ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ邋ｄｅｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ，邋ＦＣＤＩ），也叫作電化學流動電容器，ＦＣＤＩ采用可流動的活性碳i}料為電逡逑極，通過泵將漿料送入電極室內，電極室壁涂覆有僅允許通過水等小分子或離子的膜，阻止?jié){料逡逑隨水流走（見圖１－２邋（Ｇ￣Ｉ））。此模式有兩大優(yōu)點，一個是溶液可以持續(xù)流入電極進行脫鹽，一個逡逑是電極飽和后可以向電極室內加入活性炭。目前已有企業(yè)采用此方法進行了工業(yè)化生產并獲得了逡逑較好的成果。逡逑１．２．１．３電極材料的發(fā)展逡逑雖然電容去離子技術在相關理論研宄和實際應用中都取得了重要進展，但是由于對材料孔徑逡逑結構和脫鹽性能的規(guī)律性認識還遠遠不夠

【參考文獻】

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1 仲曉華;;新形勢下反滲透法進行海水淡化工藝分析[J];化工管理;2015年33期

2 王熹;王湛;楊文濤;席雪潔;史龍月;董文月;張倩;周躍男;;中國水資源現狀及其未來發(fā)展方向展望[J];環(huán)境工程;2014年07期

3 盧淼;劉建允;王世平;程健;;磺化石墨烯/活性炭復合電極的制備及其不對稱電容器脫鹽[J];高等學校化學學報;2014年07期

4 劉蕾;袁忠勇;;軟模板合成有序介孔碳材料[J];化學進展;2014年05期

5 李長海;黨小建;張雅瀟;;電滲析技術及其應用[J];電力科技與環(huán)保;2012年04期

6 劉紅;王剛;王六平;董強;于暢;邱介山;;電容去離子脫鹽技術:離子交換膜復合活性炭電極的性能[J];化工學報;2012年05期

7 徐秀娟;秦金貴;李振;;石墨烯研究進展[J];化學進展;2009年12期

8 胡柯;孟凡運;;海水淡化:第九個奇跡[J];閱讀與鑒賞(初中版);2009年11期

9 范力;張建強;程新;劉偉;夏明芳;王志良;;離子交換法及吸附法處理含鉻廢水的研究進展[J];水處理技術;2009年01期

10 王瑗;盛連喜;李科;孫弘顏;;中國水資源現狀分析與可持續(xù)發(fā)展對策研究[J];水資源與水工程學報;2008年03期

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1 胡彬;鈦基鈉離子電池負極材料制備與性能研究[D];上海交通大學;2014年

2 趙麗維;鈉離子電池正極材料Na_(0.44)MnO_2的制備及電化學性能研究[D];蘇州大學;2013年

本文編號：2729650