高效杂化电容去离子技术的离子交换膜依赖性机制研究
发布时间：2021-03-16 13:03
电容去离子（Capacitive deionization,CDI）是一种近些年来新兴的脱盐技术,由于其常温常压操作、器件简单、成本低、具有离子选择性等潜在优势,引起了国内外越来越多研究者的关注。然而,普通CDI技术的循环稳定性不足和电荷效率偏低的问题一直以来都是阻碍CDI进一步发展及商业化的重大问题。在CDI的结构基础上,引入成对的离子交换膜（ion exchange membrane,IEM）,构建膜电容去离子（membrane CDI,MCDI）可以大幅度提升CDI的电荷效率与循环稳定性,是目前CDI实际应用的主流方式。然而,价格昂贵的IEM的加入,不单大幅度提升了设备成本,还带来了结垢、生物污染以及阻抗上升等问题。如何减少使用昂贵的IEM、尽量使用价格低廉的活性炭（activated carbon,AC）电极,同时有效提升CDI的循环稳定性与效率,是提升CDI经济性与实用性的重要问题。研究发现AC正负极上的不同副反应与同离子排斥效应,在CDI循环衰减和效率降低中扮演着不同的重要角色,有针对性地引入正负极法拉第电极材料与AC电极构建不对称的杂化CDI（hybrid CDI,HCD...
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
全球缺水指数分布地图[2]
2020年华东师范大学博士学位论文13图1-2脱盐技术的分类[4]：(a)以RO为代表的压力驱动脱盐技术；(b)以MSF为代表的热驱动脱盐技术：(c)以ED为代表的电压驱动脱盐技术。Figure1-2Classificationofwaterdesalinationtechnology:(a)pressuredrivendesalination;(b)thermallydrivendesalination;(c)electricfielddrivendesalination.1.2基于碳材料的电容去离子技术1.2.1电容去离子技术概述与早期发展历程电容去离子技术（capacitivedeionization,CDI）也被称作电吸附，是近年来兴起的新型脱盐技术[5,6]。其基础形式由一对多孔碳电极组成，当施加一个直流电压（一般小于2V）后，处理液中的阴阳离子被分别储存到正负多孔碳电极中的双电层中，从而实现了脱盐的目的（如图1-3a所示）。当撤去电压后，可以达到离子的释放和电极的再生。相比较传统的压力、热驱动脱盐与ED技术，CDI表现出了不易结垢、结构简单、器件成本低、避免使用易受污染且昂贵的膜材料、具有离子选择性等潜在优势[7]。图1-3b显示了21世纪以来CDI文章发表数量的统计，可见，近五年来关于CDI的研究数量经历了显著的增长，受到了国内外学术及工业界的广泛关注和研究。
2020年华东师范大学博士学位论文14图1-3(a)CDI脱盐过程示意图[5]；(b)2000年至2020年CDI相关论文发表情况统计（统计来源:webofscience）。Figure1-3(a)SchematicviewofCDIdesalinationprocess;(b)TheanalysisonthepapersonCDIpublishedfrom2000to2020(Statisticalsources:webofscience).CDI最早由Murphy等在1960年提出，并认为碳材料的离子吸附能力来源于其表面的醌类官能团的氧化还原活性[8]。以此为指导，Murphy等对CDI的正极探索以寻找与阴离子选择性的小分子修饰碳材料为主[8]。随后Evans等认为CDI脱盐过程起初来源于阴极发生的法拉第反应提供的OH-离子，使碳材料表面基团离子化，从而实现离子交换为基础的脱盐过程[9]。到1970年后，Johnson等才开创性地提出了“电压调节的离子吸附”机制，也就是目前所主流认可的双电层机理，用于解释CDI脱盐过程[10]，并进一步证明了CDI脱盐容量与碳材料有效比表面积和器件电压的正比例关系[11]。Soffer等随后进一步证明了微孔（0.5-2nm）对脱盐容量的显著贡献[12]。从1990年开始，以炭气凝胶为代表的一系列包含丰富微孔、介孔的碳纳米材料逐渐被应用于CDI电极材料，极大提升了CDI器件的脱盐容量，也因此引起了越来越多研究者对CDI的关注。
【参考文献】：
期刊论文
[1]N, F?Codoped Microporous Carbon Nanofibers as Efficient Metal?Free Electrocatalysts for ORR[J]. Tianle Gong,Ruoyu Qi,Xundao Liu,Hong Li,Yongming Zhang. Nano-Micro Letters. 2019(01)
[2]水资源外交:中国周边安全构建新议题[J]. 李志斐. 学术探索. 2013(04)
本文编号：3086083
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
全球缺水指数分布地图[2]
2020年华东师范大学博士学位论文13图1-2脱盐技术的分类[4]：(a)以RO为代表的压力驱动脱盐技术；(b)以MSF为代表的热驱动脱盐技术：(c)以ED为代表的电压驱动脱盐技术。Figure1-2Classificationofwaterdesalinationtechnology:(a)pressuredrivendesalination;(b)thermallydrivendesalination;(c)electricfielddrivendesalination.1.2基于碳材料的电容去离子技术1.2.1电容去离子技术概述与早期发展历程电容去离子技术（capacitivedeionization,CDI）也被称作电吸附，是近年来兴起的新型脱盐技术[5,6]。其基础形式由一对多孔碳电极组成，当施加一个直流电压（一般小于2V）后，处理液中的阴阳离子被分别储存到正负多孔碳电极中的双电层中，从而实现了脱盐的目的（如图1-3a所示）。当撤去电压后，可以达到离子的释放和电极的再生。相比较传统的压力、热驱动脱盐与ED技术，CDI表现出了不易结垢、结构简单、器件成本低、避免使用易受污染且昂贵的膜材料、具有离子选择性等潜在优势[7]。图1-3b显示了21世纪以来CDI文章发表数量的统计，可见，近五年来关于CDI的研究数量经历了显著的增长，受到了国内外学术及工业界的广泛关注和研究。
2020年华东师范大学博士学位论文14图1-3(a)CDI脱盐过程示意图[5]；(b)2000年至2020年CDI相关论文发表情况统计（统计来源:webofscience）。Figure1-3(a)SchematicviewofCDIdesalinationprocess;(b)TheanalysisonthepapersonCDIpublishedfrom2000to2020(Statisticalsources:webofscience).CDI最早由Murphy等在1960年提出，并认为碳材料的离子吸附能力来源于其表面的醌类官能团的氧化还原活性[8]。以此为指导，Murphy等对CDI的正极探索以寻找与阴离子选择性的小分子修饰碳材料为主[8]。随后Evans等认为CDI脱盐过程起初来源于阴极发生的法拉第反应提供的OH-离子，使碳材料表面基团离子化，从而实现离子交换为基础的脱盐过程[9]。到1970年后，Johnson等才开创性地提出了“电压调节的离子吸附”机制，也就是目前所主流认可的双电层机理，用于解释CDI脱盐过程[10]，并进一步证明了CDI脱盐容量与碳材料有效比表面积和器件电压的正比例关系[11]。Soffer等随后进一步证明了微孔（0.5-2nm）对脱盐容量的显著贡献[12]。从1990年开始，以炭气凝胶为代表的一系列包含丰富微孔、介孔的碳纳米材料逐渐被应用于CDI电极材料，极大提升了CDI器件的脱盐容量，也因此引起了越来越多研究者对CDI的关注。
【参考文献】：
期刊论文
[1]N, F?Codoped Microporous Carbon Nanofibers as Efficient Metal?Free Electrocatalysts for ORR[J]. Tianle Gong,Ruoyu Qi,Xundao Liu,Hong Li,Yongming Zhang. Nano-Micro Letters. 2019(01)
[2]水资源外交:中国周边安全构建新议题[J]. 李志斐. 学术探索. 2013(04)
本文编号：3086083
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hxgylw/3086083.html
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