活性炭對膜電容去離子脫鹽的影響
電容去離子是一種新型脫鹽技術(shù)，由于雙電層在電容去離子中起著重要作用，因此脫鹽性能受到電極材料的物理和化學(xué)性質(zhì)的強(qiáng)烈影響。通常，碳材料因其優(yōu)異的電性能和低成本而在電容去離子中用作電極材料?；钚蕴渴亲畛Ｒ姷奶疾牧希⑶易鳛樘技{米管其他變體，例如石墨烯和模板碳也已經(jīng)在電容去離子技術(shù)用于脫鹽。這項研究的目的是研究交流電極中的親水性對膜電容去離子中最大容量利用率的影響。選擇兩種活性炭(疏水性炭和親水性炭)作為電極材料，并將它們進(jìn)行比較，因為它們具有相似的比表面積但親水性不同。最后分析活性炭對膜電容去離子脫鹽的影響。
活性炭脫鹽實(shí)驗
方案1中描述了用于檢查脫鹽性能的膜電容去離子系統(tǒng)。每個電極由作為集電器的石墨，交流電極和IEM組成。將陰離子交換膜和陽離子交換膜分別放在陽極和陰極上。一對電極由厚度為110 µm的尼龍墊片隔開。使用蠕動泵將進(jìn)料水供應(yīng)到電解池。處理后的溶液直接流過電導(dǎo)率儀，隨后使用單程模式。除了IEM的存在外，還以與電容去離子中使用的相同配置進(jìn)行了CDI實(shí)驗。使用電池循環(huán)器在1點(diǎn)分別施加電壓10分鐘。在充電步驟中為2 V，在放電步驟中為0V。從第三個循環(huán)獲得數(shù)據(jù)，并從至少三個操作中計算出平均值，以實(shí)現(xiàn)可重復(fù)性。
方案1：膜電容去離子系統(tǒng)的示意圖。
活性炭和電極的特性
總結(jié)了親水和疏水活性炭的物理性質(zhì)(對于粉末形式和電極形式)，例如總BET、SSA和總孔體積。兩種活性炭的總BET、SSA相似。在電極制造之后，兩個電極的物理性能都以大約20%的相似速率降低。減小的表面積和孔體積可以通過導(dǎo)電材料和粘合劑可能阻塞活性炭孔來解釋。盡管兩個活性炭具有相似的物理特性，但兩個電極的潤濕性似乎具有不同的行為，如圖1a所示。1分鐘后，親水活性炭電極的接觸角值從118°減小到0°，而疏水活性炭電極的接觸角值從130°減小到115°。在親水活性炭電極上的接觸角的大的減小表明良好的潤濕性。為了進(jìn)一步分析YS-2電極的優(yōu)異潤濕性，進(jìn)行了FT-IR分析，如圖1b所示。已知當(dāng)用氣態(tài)氨處理活性炭時，可能會添加一個N末端官能團(tuán)。親水活性炭電極的這種特性導(dǎo)致水分子以及溶解的離子更快地吸附到電極中。
圖1：(a)用疏水和親水活性炭制造的兩個電極的接觸角隨時間變化，以及(b)兩種活性炭的FT-IR光譜。
活性炭電極親水性對電容去離子性能的影響
圖2以(a)歸一化電導(dǎo)率曲線表示使用疏水和親水活性炭電極的電容去離子性能。如圖2a所示，在充電步驟期間，與疏水活性炭電極相比，歸一化電導(dǎo)率在親水活性炭電極的情況下顯示出更低和更寬的下降。對于親水活性炭電極，在充電步驟開始時，圖2b中所示的特定電流也顯得較高。圖2的a，b在電容去離子表明更多離子在充電步驟中的初始幾分鐘吸附在親水活性炭電極的表面上。這意味著在親水活性炭電極上可以更快，更高地吸附鹽?？梢酝茢?，由于水分子更容易進(jìn)入微孔，因此親水活性炭電極上離子的可及表面積大于疏水活性炭電極上的離子的可及表面積。
圖2：使用疏水和親水活性炭電極的膜電容去離子性能。
這項研究調(diào)查了活性炭對膜電容去離子中脫鹽性能的影響。我們的實(shí)驗使用了疏水和親水活性炭，它們具有相似的比表面積，但由于C–N或C = N鍵合而具有不同的親水性。結(jié)果表明，親水性活性炭電極具有更大的鹽吸附能力，表明活性炭的親水性對脫鹽性能具有積極作用。
本文作者：董帝豪
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