改性碳材料作为电容去离子电极的理论模拟及制备

发布时间：2017-10-17 15:18

  本文关键词：改性碳材料作为电容去离子电极的理论模拟及制备

  更多相关文章： 电容去离子 修正道南理论 多孔电极理论 碳电极

【摘要】：电容去离子技术(CDI)作为一种高效率、无污染、低成本的海水淡化技术,近年来由于水资源危机的日益严重而受到越来越多的关注。电容去离子技术的核心组成部分是电极材料,目前主要以多孔碳基材料作为电容去离子系统的电极,电极材料的性能直接决定着电容去离子系统的脱盐能力。我们希望通过理论模拟结合实验来研究电极材料亲水性和孔结构性能对其脱盐能力的影响,通过改善电极材料的性能来实现高效率、低能耗含盐水淡化的目标。本文以修正道南理论和多孔电极理论为基础建立了改进的循环式CDI的动力学模型,描述了多孔电极内离子传输和电荷转移的过程,Stern电容和电极电阻等效厚度等参数的变化解释了碳电极材料表面亲水性对其脱盐能力的影响。理论结果表明,随着电极材料表面亲水性的提高,Stern电容量增大,离子扩散阻力减小,有效孔体积增加,脱盐能力提高。为了对理论结果进行验证,实验上采用一种绿色方法制备出一系列高亲水性活性炭并对其脱盐性能进行了测试。实验结果表明,增强电极材料的亲水性对于其脱盐能力的提高意义重大,这与理论得到的结果一致。在修正道南理论基础上对简化动力学模型进行了改良,并用改良后的动力学模型对电容去离子过程进行描述。Stern电容、总传输系数和有效孔体积的变化解释了电极材料微孔、介孔含量的增加对其脱盐能力的影响。理论结果表明,电极材料微孔、介孔含量的增加和孔径分布的改善,能够提高Stern电容、总传输系数和有效孔体积,从而增强其脱盐能力。为了对理论结果进行验证,实验上采用离子液体为模板法结合氢氧化钾活化制备出具有的含有丰富微孔和介孔的炭气凝胶无需C02超临界干燥,并对其脱盐性能进行了测试。实验结果表明,电极材料微孔、介孔含量的改善对于其脱盐能力的提高意义重大,这与理论得到的结果一致。
【关键词】：电容去离子 修正道南理论 多孔电极理论 碳电极
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646.54
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-23
• 1.1 国内外水资源现状10
• 1.2 海水淡化技术的发展10-14
• 1.2.1 蒸馏法11
• 1.2.2 多级闪蒸11-12
• 1.2.3 多效蒸馏12-13
• 1.2.4 压汽蒸馏13-14
• 1.2.5 太阳能蒸馏14
• 1.2.6 反渗透法14
• 1.2.7 电渗析法14
• 1.3 电容去离子技术14-17
• 1.3.1 电容去离子的理论基础15-17
• 1.3.2 电容去离子的工作原理17
• 1.4 电容去离子技术的电极材料17-21
• 1.4.1 活性炭和活性炭布18-19
• 1.4.2 有序介孔碳19
• 1.4.3 炭气凝胶19-20
• 1.4.4 碳化物衍生碳20
• 1.4.5 碳纳米管和石墨烯20-21
• 1.4.6 炭黑21
• 1.5 电容去离子技术的发展历史和研究现状21-22
• 1.6 本论文研究内容及意义22-23
• 2 CDI的理论模型和实验方法23-29
• 2.1 CDI的理论模型23-26
• 2.1.1 双电层模型23-24
• 2.1.2 多孔电极理论24-26
• 2.2 实验方法26-29
• 2.2.1 实验试剂及实验仪器26-27
• 2.2.2 电容去离子模块单元的制备27
• 2.2.3 盐溶液27-29
• 3 高亲水性活性炭的绿色制备及其CDI性能研究29-53
• 3.1 前言29
• 3.2 论模型的建立29-33
• 3.2.1 修正道南模型29-31
• 3.2.2 循环式动力学模型31-33
• 3.3 实验部分33-37
• 3.3.1 材料的合成33
• 3.3.2 材料的表征33-35
• 3.3.3 CDI实验35-37
• 3.4 结果与讨论37-52
• 3.4.1 CDI性能37-40
• 3.4.2 拟合结果40-41
• 3.4.3 表征结果41-46
• 3.4.4 脱盐性能对比46-49
• 3.4.5 循环稳定性能49-52
• 3.5 本章小结52-53
• 4 层状结构炭气凝胶的制备及其CDI性能的研究53-72
• 4.1 前言53
• 4.2 论模型的建立53-58
• 4.3 实验部分58-63
• 4.3.1 材料的合成58-59
• 4.3.2 电极的制备59-60
• 4.3.3 材料的表征60
• 4.3.4 脱盐性能测试60-61
• 4.3.5 循环稳定性能测试61-63
• 4.4 结果与讨论63-71
• 4.4.1 微观结构表征63-66
• 4.4.2 电化学性能66-67
• 4.4.3 CDI性能67-69
• 4.4.4 拟合结果69-71
• 4.5 本章小结71-72
• 结论72-73
• 参考文献73-79
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况79-80
• 致谢80-81

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本文编号：1049554