【摘要】：流動電極電容法脫鹽技術(Flow-electrode Capacitive Deionization,FCDI)是一種采用正/負流動電極與陰陽離子交換膜耦合的新型電容法脫鹽技術。本文重點探究了采用新型磺化碳納米管(CNT-S)電極材料制備具有高分散性、良好懸浮穩(wěn)定性和高比電容的流動電極液的工藝方案,并且成功搭建了一套FCDI脫鹽裝置,探究了脫鹽性能較優(yōu)的FCDI工藝操作參數(shù),這為推進FCDI技術的實用化開發(fā)提供了良好的實驗基礎。為探究綜合性能優(yōu)良的流動電極液的制備方案,本文首先采用磺化功能化制備了CNT-S電極活性材料,與去離子水混合制備流動電極液,重點分析了改性前后流動電極液的比電容、分散性和懸浮穩(wěn)定性變化規(guī)律;同時還通過添加分散劑的方式對流動電極液進行性能改進,探究了水性分散劑種類(十二烷基硫酸鈉SDS和十六烷基三甲基溴化銨CTAB)和含量對流動電極液性能的影響。結果表明,CNT-S電極液的平均粒徑為220nm,Zeta電位值為-18.4mV,均低于CNT電極液(295nm、-5.447mV),其分散性和懸浮穩(wěn)定性明顯優(yōu)于CNT電極液,并且CNT-S電極液的比電容為16.32F/g,具有較好的電容穩(wěn)定性。與CNT-S具有相同負電荷特性的分散劑SDS比具有相反電荷特性的CTAB更有助于提高CNT-S流動電極液的分散性和懸浮穩(wěn)定性,并且當SDS與CNT-S質(zhì)量比由0增加至0.8,CNT-S電極液的比電容呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢,在SDS質(zhì)量比含量為0.4時,比電容達到最大值為33.70F/g。本文基于所設計的FCDI組件,采用優(yōu)選的CNT-S流動電極液,通過改變CNT-S液體電極的流動模式分別構建了靜態(tài)電極電容法脫鹽(SCDI)系統(tǒng)和動態(tài)電極電容法脫鹽(FCDI)系統(tǒng)。基于SCDI系統(tǒng),本文研究了工作電壓、原料液濃度等工藝參數(shù)對組件脫鹽性能的影響。結果表明,當工作電壓為1.3V時,該組件的脫鹽效率和飽和吸附速率達到最大,分別為45.85%、0.244mg/min;原料液濃度從1.0g/L增加至35.0g/L NaCl時,SCDI組件的脫鹽效率由45.85%降低至10.43%,但其單位鹽移除通量由0.067g/min增加至0.546g/min。在工作電壓1.3V,原料液濃度為1.0g/L NaCl時,對SCDI組件的飽和吸附和脫鹽穩(wěn)定性測試結果表明:在250min時CNT-S流動電極的吸附能力開始趨于飽和,其平均比吸附率為14.55mg/(g·min)、鹽移除效率可達45.6%,是CNT流動電極性能的1.6倍;經(jīng)20次循環(huán)脫鹽后,CNT-S流動電極再生效率可達95.1%,具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。本文還在已優(yōu)化的工藝參數(shù)基礎上,探究了原料液與流動電極液的流速比對FCDI脫鹽性能的影響。結果表明:當流動電極流速為150 mL/min、NaCl溶液流速為100ml/min時,FCDI組件的鹽移除效率達到最高(83.34%),達到飽和吸附的時間最短為240min。本文還采用吸附和脫附過程獨立運行的FCDI雙組件聯(lián)用系統(tǒng)考察了脫附過程中沖洗液流量對電極再生性能的影響。結果表明,當沖洗液和原料液流量比由5/5降低至2/8時,電極的脫鹽效率和再生效率均降低,分別降至77.58%、83.13%。
【圖文】：

圖 1-1 CDI 技術的工作原理圖：(a) 吸附階段；(b) 脫附階段he Schematic diagram of the Capacitive Deionization Technology: Thprocess (a) and the desorption process (b) of CDI.（a）為 CDI 吸附過程。通過外加低壓直流電源在兩個相一定的電勢，當原料液流經(jīng)兩電極板間的流動通道時，原將在靜電場的作用下發(fā)生定向遷移并吸附在兩側的電極液中離子的脫除達到淡化的目的。圖 1-1（b）為 CDI 脫上吸附的帶電離子達到或接近飽和時，，通過倒極、短路或極板的電荷性，從而促使電極板上所吸附的帶電離子完成隨沖洗液排出組件，完成電極的再生。法脫鹽技術的限制因素I 技術概念的提出，至今 CDI 技術已有近半世紀的研究歷

圖 1-2 液流電池的工作原理圖Fig.1-2 The Schematic diagram of the Flow Redox Cell.性物質(zhì)被包裹在固態(tài)陰/陽極內(nèi)部的蓄電池不同的是，液質(zhì)均以液態(tài)的形式存在，其既可作為電極的活性材料還可。在液流電池的體系中，正、負極的電解液活性物質(zhì)分別中，均通過泵打進入電池組件，并在離子交換膜兩側的電還原、氧化反應。液流電池通過這種可逆的氧化還原反應相互轉換。流電池的相關研究[38-39]迅速發(fā)展，美國、日本、英國等多流電池體系，如：鐵-鉻液流電池、多硫化鈉-溴液流電池液流電池等，液流電池技術日漸趨于成熟。近年來美國超過 10MW/40MW·h 的全釩氧化還原液流電池 VRB 儲于產(chǎn)業(yè)化應用需求的液流電池技術。
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ085.47

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本文編號：2693350