椰壳炭电极用于电容去离子技术的研究及应用

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淡水资源是人类赖以生存的基本物质。但是由于生活工业污水的排放,环境污染日益严重,淡水资源急剧短缺。所以解决可利用水资源的问题至关重要。众所周知,海水资源占据地球上水资源的绝大部分,但是由于海水中含有大量的氯化钠、氯化镁等盐类,并不能被直接利用,需要对其进行淡化后才能使用。其中,电容去离子技术(CDI)由于其具有淡化效果好、成本低和综合效益好的特点被广泛关注。电极是电容去离子中的核心部分,它的性能极大的影响了淡化性能。在选择电极材料时,为保证淡化能力,应选用来源广泛,成本较低的材料。本论文中选用了椰壳和钠锰氧化物作为原材料制备电极。论文将椰壳通过马弗炉煅烧和化学处理后得到了椰壳炭,并将椰壳炭与其他材料一起辊压成片电极。将制备成的电极以CDI模块测试系统对其脱盐性能进行测试研究。溶液的电导率随时间变化,说明CDI模块能够成功的将待测溶液中的盐去除和脱附。在不同盐溶液流速情况下,溶液电导率首先下降较快,接着逐渐趋于平缓。电导率随着溶液流速的增加下降较快,CDI效果逐渐变好,但是继续增加溶液的流速至35 r时,CDI效果变差。综合能耗与效益最大化,30 r(10mL/min)的流速为最优选择。在不同操作电压下,操作电压越大,溶液中电导值下降幅度大。所研究的电压中电压为1 V时吸附效果最好,电导率最低降至950μS/cm。将充放电仪反接后,脱附后得到的溶液最大电导值与最初始的溶液电导值基本一致,这表明所制备的椰壳炭材料电极同时也具备有良好的脱附性能。在处理不同盐溶液时,对不同离子电荷量和离子半径的吸附情况不同。不同离子吸附规律为电荷高吸附量大,所带电荷一致时,半径小吸附量较高。论文使用钠锰氧化物(NMO)作为原材料,采用固相反应来合成制备了Na4Mn9O18,与其他材料混合均匀后辊压机压延成片型电极。以同样的方法制备了活性炭(Activcated carbon)电极。将NMO电极和AC电极组装成非对称系统。使用循环伏安法对NMO电极和AC电极测试,两种电极在水溶液中表现出优良的稳定性和高容量。同时对NMO/AC非对称系统除盐效果进行测试。最大的离子移除速率可以达到0.066 mg(NaCl)/g/s。与CDI系统(0.048 mg/g/s)使用对称活性炭电极所得出的结果相比,性能较好。在处理较高浓度的盐溶液时也具备较好的处理效果。Na4Mn9O18具有较大的充电容量(40 mA h/g50 mA h/g),并且该值超过300 F/g,比AC材料有更高的电容。同时在循环期间,充/放电容量显示出极好的稳定性,300圈循环后库仑效率接近100%。说明NMO/AC非对称系统具有良好的电化学性能,同时在氯化钠水溶液中可多次循环使用。
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