活性炭纤维的电吸附脱盐及离子选择性能研究

摘要

电吸附脱盐技术是一种前景广阔的离子分离方法,具有低能耗、高效率、无污染等其它脱盐技术不可比拟的优势。吸附容量和吸附速率是评价电吸附性能的主要指标。影响吸附效果的因素包括:电极材料、设备结构、运行条件、水质条件等。所以,深入开展关于电吸附基础理论和实际应用方面的研究,不仅有重要的科学价值,而且有深刻的现实意义。
　　本文以活性炭纤维作为吸附电极,分析了电吸附过程的电化学性能,探讨了电吸附的动力学、热力学规律,并对多组分碱金属、碱土金属离子溶液中活性炭纤维电极对不同离子的选择吸附性能进行了研究。论文的主要研究成果如下:
　　(1)在分析双电层电容组成模型的基础上,结合电极材料的孔径分布,通过循环伏安测试,研究了影响双电层电容的主要因素。结果表明:双电层电容由微孔电容和中孔电容两部分组成;扫描速率、溶液浓度、材料结构是影响双电层电容的主要因素;对于高浓度溶液,高扫描速率下的电容值与低扫描速率下的电容值相差不大;对于低浓度溶液,由于微孔的充放电响应比较慢,高扫描速率下的电容值比低扫描速率下的电容值小很多;微孔传质阻力大,导致微孔的比表面积利用率较低,对双电层电容贡献较少。
　　(2)通过分析不同浓度溶液的交流阻抗频谱图,对电吸附过程进行了等效电路解析,求出等效电路元件参数值,进而分析溶液的界面状态。结果表明:活性炭纤维的电吸附过程可用R(C(RW))电路图进行拟合;相同工作条件下,高浓度溶液的迁移电阻Rs较小,则实际施加在电极材料上的外部电压相对较大,相应电容值较大。
　　(3)通过各种条件下的静态电吸附实验,研究了电压、溶液浓度、温度对电吸附容量和速率的影响。各条件下的吸附动力学都可以用Lagergren一级吸附动力学模型来描述;1.2V电压下,活性炭纤维对 NaCl的吸附速率常数较开路时增加了13％,吸附速率的提高主要是由于静电吸引力的增加;各条件下的吸附等温线都可以用Langmuir和Freundlich吸附等温模型来描述,但前者的拟合效果更佳;1.2V电压下,活性炭纤维对NaCl的最大电吸附容量较开路时增加了2.14倍,电吸附容量的增加主要是由于电极表面电荷密度的增强,吸附点位增多,不存在氧化还原反应;电吸附热力学参数显示,活性炭纤维对NaCl的电吸附过程是吸热、非自发、熵变为负的过程。
　　(4)在活性炭纤维电化学性能研究和电吸附动力学、热力学研究的基础上,进行了单组分、多组分碱金属、碱土金属离子溶液中,活性炭纤维对不同离子的电吸附选择性能研究,测定了多组分溶液中各种离子在电吸附前后浓度的变化,计算了活性炭纤维对离子的电吸附容量。实验结果表明:在多组分溶液中,活性炭纤维对离子的选择吸附性能是由离子水合半径、离子价态和离子的初始浓度决定的。对于同浓度同价态的不同离子,水合半径小的离子更容易被吸附;对于同浓度不同价态的离子,2价离子比1价离子优先被吸附;对于不同浓度的离子,选择吸附的顺序是由各离子的浓度决定的,浓度高的离子优先被吸附,浓度低的离子吸附容量最小。在动态电吸附实验过程中,Ca2+离子可以取代吸附其它已经被吸附的离子。

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1 绪论

1.1 课题背景

1.2 吸附理论

1.3 电吸附水处理脱盐技术

1.4 课题研究的目的及内容

1.5 本章小结

2 实验基本内容

2.1 实验材料及化学试剂

2.2 实验装置

2.3 活性炭纤维的性能表征

2.4 电化学性能测试

2.5 分析测定方法

3 电吸附脱盐过程的电化学性能研究

3.1 活性炭纤维的表面形貌和结构

3.2 双电层电容性能研究

3.3 交流阻抗性能研究

3.4 本章小结

4 电吸附脱盐过程动力学、热力学研究

4.1 电吸附动力学研究

4.2 电吸附热力学研究

4.3 本章小结

5 电吸附脱盐过程对不同离子的电吸附选择性能研究

5.1 电极材料的选择

5.2 阳离子特性对于电吸附选择性能的影响

5.3 阳离子初始浓度对于电吸附选择性能的影响

5.4 活性炭纤维对于离子的动态电吸附实验研究

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 课题中存在的不足

6.3 展望

致谢

参考文献

附录：攻读硕士期间发表学术论文情况