碳基多孔结构材料的制备及其电容去离子性能研究
发布时间：2020-08-27 08:12
【摘要】：水资源短缺问题严重威胁着人类生存和社会发展,咸水淡化和去除水中污染物被认为是最有效的解决方式。目前的水处理技术有反渗透、电渗析、蒸馏和吸附等,存在成本高、去除效率低、材料的再生过程易造成二次污染等缺点。以双电层电容(EDL)原理为基础的电容去离子(CDI)技术以高效、低成本、易再生、无二次污染等优势而被认为是最有应用前景的水处理技术,但是目前仍缺乏高效的电极材料,对相关机理研究不够深入,以及合理的操作模式还有待进一步完善。本论文主要围绕三方面展开(1)以CDI技术所需电极材料的设计为目标,探究了结构、组成与性能提升之间的相关性;(2)将多种技术整合以推进CDI技术的便携式应用;(3)将CDI技术应用到海水淡化以及水中污染物的去除。论文取得了如下成果:1、氮掺杂多级孔碳材料的合成及其电极材料性能研究热解谷氨酸钠和氯化钠混合物可得到三维氮掺杂多级孔碳(3D-NPC),该材料能提供大的吸附比表面积(1481 m2 g-1),具有微孔和介孔共存的结构,有利于质子和电子的输运,杂原子(氮元素含量:4.93%)的掺杂能增强材料的赝电容和润湿性,从而改善CDI海水淡化性能(吸附容量:21.0 mg g-1)。鉴于材料的以上特点,3D-NPC可用作锌-空气电池的阴极催化剂,展现出优异的催化性能和1.34 V的开路电压,从而实现了将同一个材料同时应用于CDI和锌-空气电池的电极材料中。2、海带衍生多级孔结构材料的合成及电极材料性能研究在热处理过程中海带本身储存的盐离子(Na+,Ca2+等)可作为造孔剂获得介孔,进一步KOH活化可获得丰富的孔结构。通过一系列的探究实验来确定合适的煅烧温度和KOH用量。最佳产物具有微孔和介孔共存的多级孔结构,比表面积高达2613.7 m2 g-1,表现出优异的海水淡化能力(27.2 mg g-1)和电容存储能力(202 F g-1)。若将该材料组装成软包电池可替代直流电源为CDI供电,实现了CDI的便携应用,这对CDI海水淡化技术在特殊条件下(电力不足的偏远地区及自然灾害情况下)的应用尤为重要。3、海带衍生多级孔碳材料组装对称CDI电极及水中盐酸四环素的去除研究本章首次将海带衍生多级孔碳材料组装的对称电极CDI装置应用于水中四环素(TC)的去除。CDI技术的引入可提高TC的去除能力(Langmuir拟合结果:925.3 mg g-1)。且TC的去除效果在其他共存离子存在的情况下并没有明显变化,同时与TC电荷相反的离子如Ca2+,Mg2+,Na+,K+会被吸附在电极的另一侧,从而达到净化水的目的。此研究证明了CDI技术在去除水中TC和富集金属离子方面具有很大的应用前景。4、多孔石墨碳纳米片负载Fe/Fe3C与海带衍生多级孔碳材料组装非对称CDI电极及水中砷的去除研究以FeCl3·6H20和反丁烯二酸为前驱体合成了多孔石墨碳纳米片(GCN)负载Fe/Fe3C材料(Fe/Fe3C-GCN)。Fe/Fe3C-GCN(阳极)和海带衍生多级孔碳材料(阴极)组装的非对称电极在CDI过程中对As(Ⅲ)的吸附速率和吸附量(Freundlich拟合结果:97.73 mg g-1)都高于海带衍生多级孔碳材料组成的对称电极(双电层吸附),这是因为该非对称电极能结合GCN的双电层电吸附和Fe/Fe3C的化学吸附特性。重要的是该方法可在阳极一步将毒性强、对吸附剂亲和力低且不带电的As(Ⅲ)化合物氧化成低毒性的较易去除的带电型As(V)并去除。整个去除过程清洁高效,该研究为水体中污染物的去除提供了新思路。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.4;O647.3
【图文】：
泊咸水和地下咸水：０．９４％），而２．５％的淡水中，也有将近７７．２％分布在南北极逡逑和冰盖中（冷冻水），２２．４％分布在土壤深层（地下水），仅有０．４％的淡水可供饮逡逑用（图１．１）邋［５］。因此，若能将盐度较高的海洋水，湖泊咸水和地下咸水淡化，将逡逑在很大程度上解决目前严峻的饮用水问题［９］。逡逑２．一５％逦０－４％逦８Ｌ逡逑＇ｉｒｆｔ逡逑？盐水■淡水逦0冷冻水■地卜水■地表水逦0灌甩农业■工业■家用逡逑图１．１全球供水、淡水供应和淡水利用情况［５］。逡逑盐水淡化是指从水中除去盐分以生产淡水的过程。我们可将待处理液分为两逡逑大类：海水和咸水。海水中ＴＤＳ（指含盐量或总溶解固体）含量范围为３００００－４５０００逡逑ｍｇ逦而咸水中ＴＤＳ含量为１０００－１００００邋ｍｇ邋Ｌ＿１［１２］。淡水的定义是（ＴＤＳ）逡逑不超过１０００邋ｍｇ邋Ｌ／１，当超过此值时，水质诸如味道、颜色、腐蚀倾向和气味等逡逑１逡逑
学家和工程师们追求的目标。世界上已经实现过大规模工业化的脱盐技术有以下逡逑几种：热脱盐（多效蒸馏法（ＭＥＤ），多级闪蒸（ＭＳＦ）和机械蒸汽压缩（ＭＶＣ））：逡逑反渗透脱盐（ＲＯ）邋［１４］；电渗析（ＥＤ）邋［１５，邋｜６］（图１．２及图１．３）邋［｜７］。当然还存在逡逑其他的脱盐技术（正向渗透脱盐［１８］，浓差极化脱盐［１９］，膜蒸馏［２＼离子交换膜逡逑脱盐［２｜］）。逡逑、逦＿邋Ｓｅａｗａｔｅｒ逦0邋ＲＯ逦ａ逦１０．０００－５０．０００逡逑■邋Ｂｒａｃｋｉｓｈ逦６邋ＭＥＯ逦Ｏ逦５０．０００－１００．０００逡逑＿邋Ｒｉｖｅｒ逦Ｄ邋ＭＳＦ逦□逦１００，０００邋？邋２５０．０００逡逑ｓｒｒ逡逑图１．２全球大型海水淡化厂按容量、给水类型和海水淡化技术分布［２２］。逡逑２逡逑
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本文编号：2805849
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.4;O647.3
【图文】：
泊咸水和地下咸水：０．９４％），而２．５％的淡水中，也有将近７７．２％分布在南北极逡逑和冰盖中（冷冻水），２２．４％分布在土壤深层（地下水），仅有０．４％的淡水可供饮逡逑用（图１．１）邋［５］。因此，若能将盐度较高的海洋水，湖泊咸水和地下咸水淡化，将逡逑在很大程度上解决目前严峻的饮用水问题［９］。逡逑２．一５％逦０－４％逦８Ｌ逡逑＇ｉｒｆｔ逡逑？盐水■淡水逦0冷冻水■地卜水■地表水逦0灌甩农业■工业■家用逡逑图１．１全球供水、淡水供应和淡水利用情况［５］。逡逑盐水淡化是指从水中除去盐分以生产淡水的过程。我们可将待处理液分为两逡逑大类：海水和咸水。海水中ＴＤＳ（指含盐量或总溶解固体）含量范围为３００００－４５０００逡逑ｍｇ逦而咸水中ＴＤＳ含量为１０００－１００００邋ｍｇ邋Ｌ＿１［１２］。淡水的定义是（ＴＤＳ）逡逑不超过１０００邋ｍｇ邋Ｌ／１，当超过此值时，水质诸如味道、颜色、腐蚀倾向和气味等逡逑１逡逑
学家和工程师们追求的目标。世界上已经实现过大规模工业化的脱盐技术有以下逡逑几种：热脱盐（多效蒸馏法（ＭＥＤ），多级闪蒸（ＭＳＦ）和机械蒸汽压缩（ＭＶＣ））：逡逑反渗透脱盐（ＲＯ）邋［１４］；电渗析（ＥＤ）邋［１５，邋｜６］（图１．２及图１．３）邋［｜７］。当然还存在逡逑其他的脱盐技术（正向渗透脱盐［１８］，浓差极化脱盐［１９］，膜蒸馏［２＼离子交换膜逡逑脱盐［２｜］）。逡逑、逦＿邋Ｓｅａｗａｔｅｒ逦0邋ＲＯ逦ａ逦１０．０００－５０．０００逡逑■邋Ｂｒａｃｋｉｓｈ逦６邋ＭＥＯ逦Ｏ逦５０．０００－１００．０００逡逑＿邋Ｒｉｖｅｒ逦Ｄ邋ＭＳＦ逦□逦１００，０００邋？邋２５０．０００逡逑ｓｒｒ逡逑图１．２全球大型海水淡化厂按容量、给水类型和海水淡化技术分布［２２］。逡逑２逡逑
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