生物质衍生氮掺杂活性碳纤维材料的制备及其在电容去离子中的应用

发布时间：2020-07-26 23:38

【摘要】：伴随全球范围的经济腾飞和工农业的迅速发展扩大,水资源短缺已经开始成为人类文明发展的掣肘。众所周知,地球的水资源是十分丰富的,但几乎全部(~98%)是咸水(包括海水以及江河入海的苦咸水),很难直接用于工农业生产之中。仅占2%的淡水资源大部分以固态形式存在于遥远的极地,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从根本上解决水危机的唯一途径。目前,已经发展起来多种淡化技术,从最原始的蒸馏、离子交换,到新兴的膜脱盐技术(反渗透、电渗析),以及蒸馏技术的变种、革新技术(膜蒸馏、闪蒸)等等。然而,目前主流淡化技术均有着其致命的缺陷,包括高能耗、低效率、占地面积大、膜结垢、二次污染等等。电容去离子(电吸附)技术,作为一种新兴的电脱盐技术从上世纪80年代开始受到了业界的广泛关注,凭借其低能耗、高效率、无二次污染等优势迅速成为研究人员关注的另一个焦点。由于电容去离子技术是基于电化学双电层原理的一种脱盐技术,其技术核心和性能的关键无疑是其电极材料,因此,电极材料也受到了研究人员最多的关注。本论文针对生物质(蚕茧)衍生的碳纤维材料进行了研究,并将其作为电极材料应用于电容去离子中,系统地研究了其电容去离子性能与材料结构、形貌的关系,进而优化得到性能最佳的电容去离子电极材料。并进一步对其电容去离子过程进行了热力学、动力学以及能耗分析。研究发现:1、生物质衍生氮掺杂活性碳纤维具有优良的电化学性能,以其作为电极的超级电容器的比电容为236.03 F g~(-1);2、生物质衍生氮掺杂活性碳纤维具有良好的电吸附性能,在1000 mg L~(-1)的NaCl溶液中具有高达16.56 mg g~(-1)的比吸附量;3、活化过程对于生物质衍生氮掺杂活性碳纤维的电化学及电吸附性能提升明显,其原因在于活化过程提高了材料的表面积、并且优化了其孔径分布;4、生物质衍生氮掺杂活性碳纤维的电吸附过程符合一阶动力学,并且,随外加电压的上升吸附速率常数先升后降,上升原因在于电场强度的提升,而下降的原因在于电化学反应抑制了电吸附过程的速率;5、生物质衍生氮掺杂活性碳纤维的电吸附过程符合朗缪尔吸附模型,表明离子的吸附过程为单层吸附,并且,吸附过程以物理吸附为主,并没有化学吸附或化学反应参与;6、生物质衍生氮掺杂活性碳纤维的能耗分析显示,电压对电容去离子器件的能耗影响很大,尤其是1.2 V以后,呈指数上升趋势,由此可见,将电压控制在水的分解电压以下(1.23V),对于控制电容去离子器件的能耗是至关重要的。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P747
【图文】：

水资源量,大陆,降雨量

没有足够的水供应，我们很可能无法生产生物燃料这样的能源。另一方面，我们也需要大量的能量来淡化海水以供饮用。图1.1 世界范围内的各大陆人均水资源量和降雨量水平。在 21 世纪的转折中，Shawn Tully 在财富杂志上发表了一篇文章指出[3]，水将是“本世纪的石油”。事实上，像法国苏伊士集团和维旺迪这样的大公司都在把他们的未来收入押注于水资源的短缺和更高的价格上。图 1.1 展示了世界上每个大陆的人均降水量和人均可用水量。人们很容易注意到，人数最多的大洲，亚洲和非洲，水量也是最少的。

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[4]。图1.2 用于发展中国家和高收入国家的水的类型。众所周知，全球 98%的水域都是海洋水或咸水，我们必须找到更新、更有效、性价比更高的方法从这些水域中除去盐。事实上，悉尼、珀斯、新加坡、洛杉矶、约翰内斯堡、朱拜勒、拉斯拉凡和迈阿密等主要城市或是在建造或是在设计大型的海水淡化厂。目前研究者们认为作为一种新兴的水处理技术，电容去离子可能会在提供饮用水和能源节约上很有竞争力。而为了更有竞争力，电容去离子也必须在资本和运营成本方面与更成熟的方法进行比较[5]。1.2 现阶段的除盐技术典型的溶解盐在海水和盐水中的浓度分别为35000和1000 mg L-1。最广泛应用的海水淡化过程包括：1、膜分离技术：反渗透和电渗析；2、热分离技术：多级闪蒸蒸馏、多效蒸馏和机械蒸汽压缩。在这些过程中，反渗透和多级闪蒸的方法是被应用于用于海水淡化最多的方法。为了更直观的看到所有这些过程和它们对海水淡化市场的影响，在Chaudhry的文章中我们提到

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淡化最多的方法。为了更直观的看到所有这些过程和它们对海水淡化市场的影响，在Chaudhry的文章中我们提到，如图1.3和1.4，在以膜为基础的工厂中，86%属于反渗透工厂，而电渗析的工厂只占到14%。同样也说明了，虽然使用反渗透膜的工厂比使用热分离方法的工厂多，但两种水处理的总水量几乎是相等的。电渗析有一种特质，即作为一种膜过程，驱动力

【参考文献】