分级多孔炭的制备及电容脱盐性能的研究

发布时间：2020-10-14 10:06

　　 电容脱盐技术是基于电化学双电层原理的一种新兴、节能的脱盐技术,具有所需电压低、能耗小和无二次污染等优点,受到国内外研究学者的广泛关注。多孔炭由于原料来源广、廉价易得、比表面积大、孔结构可调和物理化学性质稳点等优点,常被用于电容脱盐。在多孔炭中,微孔为材料提供大的比表面积,有利于脱盐量提高,但微孔孔径较小,不利于离子的传输;中孔孔径较大,离子扩散阻力小,有利于快速脱盐,其表面积利用率高,但中孔炭的比表面积较小,脱盐量有限;大孔的比表面积很有限,对脱盐的贡献可以忽略,但大孔会减小离子的传输路径,加快脱盐速度。因此,具有微孔-中孔-大孔的分级多孔炭兼具高的脱盐容量和快速的脱盐速率。本论文采用模板法,活化法制备了三种不同的分级多孔炭,考察了它们的电容脱盐性能,具体内容如下:(1)以柠檬酸为炭前驱体,乙酸镍为模板,通过静电纺丝、固化、炭化和酸洗等过程,制备出中孔率高、表面具有炭壳的分级多孔纳米炭纤维。当柠檬酸与乙酸镍的质量比为1:1.5时,所得分级多孔纳米炭纤维的平均直径为88.7 nm,比表面积、孔容积和中孔率分别达到218 m2/g、0.40 cm3/g和84.90%;电极片的单循环脱盐量和单位比表面积的脱盐量分别达到6.28 mg/g和0.089 mg/m2。(2)以柠檬酸铁为炭前驱体,KOH为活化剂,通过对柠檬酸铁直接一步炭化或一步炭化活化分别制备出分级多孔炭,并对活化后的多孔炭进行硝酸表面改性。柠檬酸铁经活化后孔径分布增加到16 nm左右;比表面积、孔容积和中孔率分别达到2140 m2/g、2.86 cm3/g和82.87%;AC的单循环脱盐量和单位比表面积的脱盐量分别达到6.13 mg/g和0.0089 mg/m2。表面氧化后的多孔炭亲水性得到有效改善,接触角减小到104.4°,比表面积、孔容积和中孔率分别达到1960 m2/g、2.28 cm3/g和78.07%;AC-N的单循环脱盐量和单位比表面积的脱盐量分别达到7.47 mg/g和0.01 18 mg/m2。研究发现中孔炭比微孔炭更有利于电容脱盐量的提高。(3)通过对高硫石油焦进行一步KOH活化和酸洗等过程,制备出不同含硫量的分级多孔炭。当石油焦与KOH的质量比为1:2时,比表面积、孔容积、中孔率和含硫量分别达到1051 m2/g、0.56 cm3/g、35.71%和1.07%;AC-2的单循环脱盐量和单位比表面积的脱盐量分别达到5.00 mg/g和0.015 mg/m2。研究发现含硫官能团能有效改善样品的脱盐量。
【学位单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ127.11;TQ085.41
【部分图文】：

图１－２海水淡化技术??Ｆｉｇ．?１－２?Ｓｅａｗａｔｅｒ?ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ??

１．３脱盐的主要方法??在过去的几十年中，海水淡化技术取得了长足的进步，涌现出各种各样的淡水??获取技术，如蒸馏法、膜法、电容脱盐法、冷冻法和离子交换发等等，如图１－２所??示。到目前为止，能够利用的海水淡化技术非常多，其中主要的脱盐方法有热蒸馏??法、膜分离法和电容脱盐法等。由于各种脱盐的机理各不相同，在脱盐量、脱盐效??率和成本效益上各有优缺点［３，１（Ｍ２］。??海水淡化法??＼＼?ｉ?Ｌ￣ｔ?１??５节?＇冷?氧??它容?ｉ?膜?ｐ??方脱法?｜??法盐?広広??ｇ?Ｓ?Ｓ?ｉ?Ｓ?Ｓ?１５１??ｉ?ｉ?＾?１?１?１?Ｉ?Ｓ??ｋ?？??法??图１－２海水淡化技术??Ｆｉｇ．?１－２?Ｓｅａｗａｔｅｒ?ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ??１．３．１蒸馏法??蒸馏法是人类最初利用的淡水获取技术，又称为蒸发法，主要原理是利用液体??混合物中不同物质的沸点不同，使低沸点的水在加热条件下蒸发为水蒸气然后再冷??凝为液态水从而达到分离、提纯的效果。经过多年来的不断发展，蒸馏法技术已经??３??

离子即可回到溶液中，使电极再生。在１９８５年，德国物理学家Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ最早提出??将这种电极－溶液－电极界面看作是一个平板电容器模型的理论，其中两电极间的溶??液被看作电容器之间的介质分离层［２３］，如图１－４?（ａ）所示。Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ认为在电容??器两端加上电压后，电极表面会产生剩余的静电荷，从而形成一个电场，当溶液经??过电容脱盐装置时，离子吸附在电极上，由于位垒的存在，两种电荷并不会发生电??中和作用，只在电极表面形成一个界面层，从而去除离子。Ｃｈａｐｍａｎ和Ｇｏｕｙ在??Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ的理论上，提出了扩散双电层理论模型［２７］，如图１－４?（ｂ）所示。该理论??将布朗运动考虑在内，提出了扩散层的概念，认为离子被吸附到电极表面以后，会??在在电极表面形成一个几纳米的扩散层，在扩散层中作布朗运动，而不是被吸附在??电极表面静止不动。Ｓｔｅｍ在丨９２４年将上述两种模型相结合，建立了?Ｓｔｅｒｎ模型［２８］，??如图１－４?（ｃ）所示。该模型将双电层分为内层和外层
【参考文献】

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本文编号：2840527