电容去离子技术综述(二):电极材料

电容去离子(CDI)是最近十余年快速发展起来的一种用于脱盐的新型水处理技术。其基于大比表面积及稳定的多孔电极,通过外接直流电源,实现离子的去除及水的净化。简单介绍了电容去离子技术及与传统水处理技术的对比,并详细分析阐述了不同电极材料的选取及其预处理与改性对脱盐效果的影响。     

强化电容去离子脱盐的吸附机理研究

采用活性炭作为电极材料,通过涂层方法制备了活性炭电极,并构建了简易的电容去离子(CDI)反应装置。从吸附热力学(吸附等温线、热力学参数等)和吸附动力学角度,对所制备的CDI用活性炭涂层电极电容去离子脱盐的吸附理论进行分析,试图揭示提高CDI脱盐效率的吸附机制。结果表明:Na Cl溶液在活性炭涂层电极上的吸附符合准一级动力学模型;活性炭涂层电极吸附Na Cl的过程以物理吸附为主,也进一步证明了活性炭电极对离子的吸附主要通过电场的静电引力作用,而非电化学氧化还原作用;CDI过程活性炭涂层电极电吸附Na Cl符合Langmuir吸附等温线,属于单分子层吸附。     

电容去离子技术综述(一):理论基础

电容去离子(CDI)是最近十余年快速发展起来的一种用于脱盐的新型水处理技术。它通常通过对两张相对放置的多孔电极施加电压,使水中带电粒子在电场的作用下定向移动并被吸附于电极上,从而实现水的净化。该技术的发展不仅包括理论研究与因素控制,其在工程上的成功运作也证明了该技术的可行性。本系列文章结合国际上近年来的研究成果对CDI进行了全面的叙述。其中,本文包括双电层理论、发展历史与研究现状、电极成型方式、电极表征的方法以及对未来的展望。     

微生物电容脱盐燃料电池性能研究

以微生物电容脱盐燃料电池(MCDC)为研究对象,考察了反应时间、盐溶液浓度和电容电极对数对MCDC脱盐效率的影响.试验采用阳离子交换膜分隔阳极室与脱盐室,阴离子交换膜分隔阴极室与脱盐室.试验结果显示在处理5 g·L-1的NaCl溶液试验中,脱盐室溶液盐度先降低后升高,在反应运行30 min时,脱盐室达到最大脱盐率47.83%.同时发现在脱盐过程中,阳极室和阴极室溶液盐度持续降低,运行150 min后分别下降到15.24%和6.12%.随盐溶液浓度的增加,脱盐率降低,单位电极吸附量增加,根据Langmuir方程和Freundlich方程的线性拟合得到,MCDC最大脱盐吸附容量为72.99 mg·g-1,电容吸附为复杂度的双分子层吸附.电极对数从1对增加到4对,MCDC的脱盐效率提高了37.37%.通过电容电极反接,可在1 h内实现电容再生.     

电容去离子电极的污染特性研究

活性碳纤维(ACF)电极的电容去离子技术(CDI)对水中离子具有良好的脱除效果,且经多次吸附脱附循环后电极仍具有良好的吸附性能和再生性能。当溶液中有苯甲酸、腐植酸和铜离子存在时,电极在长期运行的过程中会受到污染,离子去除率随着循环次数的增加而逐渐降低。通过扫描电子显微镜技术(SEM)、低温氮气吸附-脱附技术、循环伏安法(CV)、交流阻抗法(EIS)对电极污染特性进行测试及表征。结果表明:电极被不同污染物污染后,其电吸附性能呈不同的下降趋势,污染电极表面出现颗粒状和片状的有机污染和无机结垢;苯甲酸污染引起孔隙堵塞导致比表面积下降10.8%,腐植酸和铜离子对比表面积影响较小;电极受苯甲酸和腐植酸污染后,因比表面积减小而引起比电容降低;电极受铜离子污染后,有效吸附点位的减少使得比电容下降;电极被污染后,其表面或孔隙内污染物阻碍电子在纤维丝间的传递,电化学性能下降。     

利用活性碳毡构建流通式电容去离子器件及其电容脱盐性能研究

采用活性碳毡(ACF)作为电吸附材料,构建流通式(Flow-through)电容去离子(CDI)装置,以模拟盐水为对象,考察了电压、通量、进水初始浓度及盐离子种类等条件对ACF电吸附容量的影响,并与平板式(Flow-by)电容去离子装置对比.结果表明,在流通式运行模式下,ACF电吸附容量随着电压、进水盐浓度的增大而增大,吸盐量最终会达到极值(最大吸附量).ACF电吸附容量会随着进水通量的增大先增大后减小.在电压1.2 V、通量0.053 m L·min~(-1)·cm~(-2)、进水初始浓度1000 mg·L~(-1)的条件下,流通式CDI中ACF对硫酸钠的电吸附容量达到7.73 mg·g~(-1),而平板式CDI中ACF电吸附容量为5.42 mg·g~(-1).此外,还考察了在不同盐离子类型条件下的流通式CDI脱盐效果,结果表明,ACF电极对阳离子电吸附强弱顺序依次为K~+Na~+Ca~(2+),对阴离子电吸附强弱顺序为Cl~-NO_3~-SO_4~(2-).流通式CDI装置在12个周期内脱盐效果并无明显衰减,表明CDI具有较好的稳定性.     

膜电容去离子电极中导电剂类型及掺杂比对脱盐性能的影响

导电剂种类及其添加量是影响膜电容去离子（MCDI）脱盐性能的重要因素.以活性炭为活性吸附材料,分别选取石墨、碳纳米管和炭黑作为导电剂制备电极,深入探究了3种导电剂及其掺杂量对MCDI脱盐性能的影响.实验结果表明,掺杂适量炭黑和碳纳米管能显著提升电极的吸附容量、脱盐速度及降低脱盐能耗.活性炭与炭黑质量比为8∶1时,电极吸附容量可达15.84 mg·g^-1,比不掺加炭黑时提高了1.15倍;活性碳与碳纳米管质量比为57.6∶1时,电极吸附容量可达12.62 mg·g^-1;但掺杂石墨的活性炭基电极在提升吸附容量、降低能耗上都没有明显变化.动力学拟合结果表明,本研究中掺杂石墨、碳纳米管及炭黑的活性炭基电极材料脱盐过程均符合准二级动力学方程.     

CNT/PANI电极吸附去除水中Cu~(2+)的研究

通过原位化学聚合法制备CNT/PANI复合材料,采用电镜扫描(SEM)、傅里叶红外光谱技术(FTIR)、X射线光电子能谱技术(XPS)和循环伏安法(CV)对复合材料的物理化学特性进行表征和测试.结果表明,复合材料比表面积和孔隙率减少,但比电容增加.CNT/PANI复合材料电极对铜离子的去除效果是CNT电极的4.24倍,吸附量随着电压、铜离子初始浓度和p H的增加而增加,电吸附过程符合准一级动力学.     

电驱动选择性膜分离技术研究进展

电驱动膜分离将电化学与膜分离技术有机结合,通过调控电场或电极电位强化膜分离效果,有望突破膜污染、选择性分离弱及“trade-off”效应等技术瓶颈,是实现污/废水资源化的有效途径。提出电驱动膜分离概念,将电驱动膜分离分为电控膜分离、电渗析和膜电容去离子等技术类型,重点关注选择性膜分离回收废水中有价物质进而实现废水资源化。首先介绍了电驱动膜分离技术的基础研究进展,然后从膜/电极材料创新和工艺优化等角度对电控膜分离、电渗析和膜电容去离子的研究进展进行回顾和总结,最后从基础研究、材料创新和反应器开发3个方面对该技术未来的发展方向做出展望。     

镍铝层状氧化物薄膜电极的制备及其除盐性能

水滑石不仅是一种重要的水处理吸附剂,而且在超级电容器方面有广泛应用.本研究采用原位生长法,由泡沫镍作为基体并提供镍源,在泡沫镍表面合成了镍铝复合氧化物(Ni Al-MMO)薄膜即类水滑石煅烧产物.所制得的Ni Al-MMO薄膜电极的电化学性质稳定、电容量高,此薄膜电极的单位质量的比电容量可高达667 F·g-1.对此电极进行电容除盐性能研究,结果表明,增加电压和弱碱性p H环境有利于该电极除盐;初始浓度为0.003 mol·L-1的情况下,最佳工作条件为:电压1.0 V、p H值为8,在此时除盐效率可达58.17%.电极反接可使吸附饱和的电极材料迅速再生,脱附率可达87.96%.本研究为废水中盐离子的去除提供了新的技术选择.