改性碳材料作为电容去离子电极的理论模拟及制备

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。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CO2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。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 国内外水资源现状

1．2 海水淡化技术的发展

1．2．1 蒸馏法

1．2．2 多级闪蒸

1．2．3 多效蒸馏

1．2．4 压汽蒸馏

1．2．5 太阳能蒸馏

1．2．6 反渗透法

1．2．7 电渗析法

1．3 电容去离子技术

1．3．1 电容去离子的理论基础

1．3．2 电容去离子的工作原理

1．4 电容去离子技术的电极材料

1．4．1 活性炭和活性炭布

1．4．2 有序介孔碳

1．4．3 炭气凝胶

1．4．4 碳化物衍生碳

1．4．5 碳纳米管和石墨烯

1．4．6 炭黑

1．5 电容去离子技术的发展历史和研究现状

1．6 本论文研究内容及意义

2 CDI的理论模型和实验方法

2．1 CDI的理论模型

2．1．1 双电层模型

2．1．2 多孔电极理论

2．2 实验方法

2．2．1 实验试剂及实验仪器

2．2．2 电容去离子模块单元的制备

2．2．3 盐溶液

3 高亲水性活性炭的绿色制备及其CDI性能研究

3．1 前言

3．2 理论模型的建立

3．2．1 修正道南模型

3．2．2 循环式动力学模型

3．3 实验部分

3．3．1 材料的合成

3．3．2 材料的表征

3．3．3 CDI实验

3．4 结果与讨论

3．4．1 CDI性能

3．4．2 拟合结果

3．4．3 表征结果

3．4．4 脱盐性能对比

3．4．5 循环稳定性能

3．5 本章小结

4 层状结构炭气凝胶的制备及其CDI性能的研究

4．1 前言

4．2 理论模型的建立

4．3 实验部分

4．3．1 材料的合成

4．3．2 电极的制备

4．3．3 材料的表征

4．3．4 脱盐性能测试

4．3．5 循环稳定性能测试

4．4 结果与讨论

4．4．1 微观结构表征

4．4．2 电化学性能

4．4．3 CDI性能

4．4．4 拟合结果

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢