碳纤维毡电极制备与电吸附脱盐性能研究

摘要

随着经济社会的快速发展，淡水资源的需求量越来越多。但是由于水资源流失、水源头污染等问题的出现，使可利用的淡水资源越来越少。为了解决淡水资源短缺的问题，研究人员多采用海水淡化的方法，其中一种较新颖的技术称为电容去离子技术(CDI)。
　　电容去离子技术的核心内容是电极材料的制备。碳材料具有耐酸、碱、盐腐蚀的特性，是海水淡化电极的首选材料。其中，碳纤维毡具有自支撑的作用，导电性能优异，所以本论文主要研究了碳纤维毡的三种形式的电极材料：长切碳微米纤维毡，静电纺丝碳纳米纤维毡，分级结构碳纤维毡。实验过程中，先制备原材料，再对材料的形貌、结构进行表征，最后测试材料的电吸附脱盐能力。
　　针对碳微米纤维毡(CMFs)，用丙酮、硝酸对长切碳纤维毡表面处理。制备材料的接触角为40.1°，电阻率为47.1mΩ·cm，比表面积为9.6185m2/g。探究影响碳微米纤维毡电极除盐效果的因素，确定最佳的实验方案：电极按照垂直水流方向摆放；相同质量情况下，电极对数为10对时，电吸附脱盐效果比5对、3对好；最佳电吸附除盐电压为1.2V；对于浓度为1000mg/L、2000mg/L、3000mg/L、4000mg/L的盐溶液，碳微米纤维毡电极都具有吸附效果。对碳微米纤维毡电极材料性能测试，结果显示：在氯化钠溶液浓度为200mg/L条件下，除盐百分比为5.14%，吸附量为2.05mg/g；在氯化钠溶液浓度为500mg/L条件下，除盐百分比为9.04%，吸附量为9.04mg/g；在氯化钠溶液浓度为1000mg/L条件下，除盐百分比为8.69%，吸附量为17.39mg/g。
　　针对碳纳米纤维毡(CNTs/G/CNFs)，采用静电纺丝的方法制备碳纳米纤维毡的最佳工艺条件：静电纺丝时，需控制直流高压24KV，选择针头内直径0.4±0.01mm，调整滚筒转速30r/min，摆放注胶机喷头间距15cm；预氧化阶段，预氧化温度为290℃，保温1h；碳化阶段，碳化温度为900℃，保温1h。制备的电极材料接触角为126.57o，比表面积为223.8m2/g，电阻率为1.865×10-3Ω·m。对CNTs/G/CNFs电极材料性能测试，结果显示：在氯化钠溶液浓度为200mg/L条件下，最佳除盐百分比为24.7%，吸附量为8.22mg/g；在氯化钠溶液浓度为500mg/L条件下，最佳除盐百分比为17.78%，吸附量为18.77mg/g；在氯化钠溶液浓度为1000mg/L条件下，最佳除盐百分比为18.01%，吸附量为36.03mg/g；五次循环使用，首次效果最好，依次使用，除盐效果稍有减弱。
　　针对分级结构碳纤维毡(D-CNTs/CCNFs)，用钴盐、镍盐的乙醇溶液事先处理好CMFs，将其与CNTs/G/CNFs纤维逐层叠加压制成毡，将成毡预氧化、碳化处理，可以得到碳纳米管均匀生长的D- CNTs/ CCNFs纤维毡。对D- CNTs/CCNFs电极材料性能测试，结果显示：在氯化钠溶液浓度为200mg/L条件下，最佳除盐百分比为27.22%，吸附量为9.04mg/g；在氯化钠溶液浓度为500mg/L条件下，最佳除盐百分比为19.86%，吸附量为20.96mg/g；在氯化钠溶液浓度为1000mg/L条件下，最佳除盐百分比为18.83%，吸附量为37.67mg/g；五次循环使用，首次效果最好，依次使用，除盐效果稍有减弱。
　　综上可知，碳纤维毡三种形式的电极都具有电吸附脱盐的能力，其中分级结构碳纤维毡电极的性能最佳，在200mg/L、500mg/L、1000mg/L浓度下的电吸附脱盐能力均大于碳微米纤维毡和碳纳米纤维毡。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 海水淡化技术概况

1.3 应用于海水淡化的电容去离子技术

1.4 静电纺丝技术的研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 实验材料与研究方法

2.1 实验材料及仪器

2.2 实验装置与方法

2.3碳纤维毡电极的制备

2.4 材料结构及性能测试方法

第3章 长切碳微米纤维毡电极

3.1 引言

3.2长切碳微米纤维毡电极的制备

3.3长切碳微米纤维毡电极的结构表征

3.4 影响电极电吸附脱盐性能的因素

3.5 本章小结

第4章 静电纺丝碳纳米纤维毡电极

4.1 引言

4.2 制备氧化石墨

4.2 静电纺丝碳纳米纤维毡电极的制备

4.3碳纳米纤维毡电极的表征

4.4碳纳米纤维毡电极的性能测试

4.5 本章小结

第5章 分级结构碳纤维毡电极

5.1 引言

5.2 分级结构碳纤维毡电极制备

5.3 分级结构碳纤维毡电极除盐性能研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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