一種改性活性炭及電容去離子電極的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于碳材料改性技術領域，特別涉及一種改性活性炭及電容去離子電極的制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，由于與日倶增的水資源危機，電容去離子引起了科學界廣泛的關注，這種技術在生物、醫學等技術領域也有很廣泛的應用前景。
[0003]電容去離子(CDI)就是利用電化學方法，使用多孔碳材料為電極來實現海水的淡化。脫鹽量是電容去離子工藝的一個重要參數，也是考察商業前景的重要指標。脫鹽量，即單位質量電極材料吸附鹽分的質量。當前，主要是通過提高電極材料的親水性和電容性能等來提高CDI的脫鹽能量。當電極表面含有親水官能團時，會提高電極的親水性，溶液與電極表面充分接觸，有利于電極脫鹽效率的提高；但如果含量過高，會降低電極的導電性，同時也可能導致電極電化學反應的發生，這些都會對電極的脫鹽效率都會產生不利影響，因此控制材料表面官能團的種類和含量對電極的電容去離子性能也有很大影響。
[0004]電極材料是CDI的關鍵組成部分，電極材料的性能直接決定著電池的脫鹽量，脫鹽速率和穩定性。目前，最廣泛用于CDI電極的是碳材料，因為它們具有卓越的化學、機械和熱穩定性，以及可調的電性能。碳材料因原料和制備方法不同，表面會含有不同的官能團，這些官能團的種類和含量對溶液的浸潤性及電極穩定性都會產生影響。
[0005]當前電容去離子脫鹽電極材料的研究熱點多集中于炭氣凝膠、碳納米管和石墨烯這些性能優良的新型炭材料，雖己取得可喜進展，但由于這些新型材料還處于基礎研究階段，制備工藝尚不完善，難以大批量制備，因此這些新穎的炭材料存在制備成本高昂，產量不足等缺點，制約了電容去離子技術工業化應用。
【發明內容】
[0006]本發明提供一種改性活性炭的制備方法。該方法制備工藝簡單，通過臭氧化處理制備出的改性活性炭具有較好的親水性能和電容性能，增強了電極材料表面的潤濕性能，能有效的提高了電容去離子工藝的脫鹽量和脫鹽速率。具體通過以下技術方案實現:一種改性活性炭的制備方法，包括以下步驟:
[0007](1)將活性炭與水混合，得混合物料；
[0008](2)將所述混合物料超聲處理；
[0009](3)將步驟(2)處理后的混合物料進行臭氧氧化處理；
[0010](4)將步驟(3)處理后的混合物料在-18°C?-20°C下冷凍；
[0011](5)將步驟(4)處理后的混合物料在-18°C?_20°C下冷凍干燥。
[0012]作為優選的技術方案，所述活性炭的總孔容為0.95-1.05cm3/g。
[0013]作為優選的技術方案，所述活性炭的比表面積為:1800-2200m2/g。
[0014]作為優選的技術方案，所述臭氧氧化以氧氣為氣源。
[0015]作為優選的技術方案，所述臭氧氧化過程中，氣體流量為0.15?0.2Nm2/h，臭氧濃度為100?130mg/L，臭氧產率為9?10g/h，溫度設置為25°C ;氧氧化的時間為50min。
[0016]作為優選的技術方案，所述超聲處理10?20min，冷凍時間為2?4h，冷凍干燥時間為72?96ho
[0017]作為優選的技術方案，所述活性炭與水比例為3?4:200-300g/ml。
[0018]本發明還提供上述任意制備方法得到的改性活性炭。
[0019]本發明還提供電容去離子技術用電極，包括上述任意一種改性活性炭。
[0020]本發明還提供上述電容去離子技術用電極的加工工藝，將所述改性活性炭制備成電極片與橡膠墊片、有機玻璃隔板和無紡布組裝成電容去離子模塊單元。將得到的電容去離子模塊單元和蠕動栗、直流穩壓電源、電導率測試儀組成電容去離子系統用于含鹽水淡化，在線監測電導率變化。
[0021]進一步地，在上述技術方案中，所述的電容去離子系統循環30次以上，每個循環中吸附和脫附時間均為1200 s。
[0022]發明有益效果為:本發明所用原料為活性炭，價格低廉，簡便易得；本發明通過簡單的臭氧化處理，制備出的改性活性炭具有很好的親水性和電容性能，很適合用于電容去離子技術；改性活性炭用于電容去離子技術的電極材料，能有效的提高脫鹽量和脫鹽速率，具有良好的應用前景。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明制備的改性活性炭(AC0)和初始活性炭(AC)的掃描電鏡圖；
[0024]圖2為本發明制備的改性活性炭(AC0)和初始活性炭(AC)的紅外吸收光譜圖；
[0025]圖3為本發明制備的改性活性炭(AC0)和初始活性炭(AC)由物理吸附儀測定的孔徑分布圖；
[0026]圖4為本發明制備的改性活性炭(AC0)和初始活性炭(AC)的CV圖；
[0027]圖5為電容去離子模塊單元；
[0028]圖6為電容去離子測試系統；
[0029]圖7為本發明實施例1、2、3、4制備的改性活性炭(AC0)和初始的活性炭(AC)用于電容去離子技術，在電壓為1.2V下濃度變化曲線圖；
[0030]圖8為本發明實施例1、2、3、4制備的改性活性炭(AC0)和初始的活性炭(AC)用于電容去離子技術，在電壓為1.0V下濃度變化曲線圖；
[0031]圖9為本發明實施例1、2、3、4制備的改性活性炭(AC0)和初始的活性炭(AC)用于電容去離子技術，在電壓為0.8V下濃度變化曲線圖；
[0032]圖10為本發明實施例1、2、3、4制備的改性活性炭(AC0)和初始的活性炭(AC)用于電容去離子技術，在電壓為0.6V下濃度變化曲線圖；
[0033]圖11為本發明實施例1、2、3、4制備的改性活性炭(AC0)和初始的活性炭(AC)用于電容去離子技術的不同電壓下脫鹽量曲線圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述，但本發明并不限于此。
[0035]實施例1
[0036]以活性炭為原料通過臭氧氧化處理簡單快速實現改性活性炭的制備，并將其用于電容去離子作用，包括如下步驟:
[0037](1)將3.5g比表面積為2000m2/g，總孔容為lcm3/g的活性炭與250mL水混合，制備成黑色懸濁混合物料，將所述混合物料置于300w超聲波清洗機中25°C?30°C下超聲處理 15min ；
[0038](2)將步驟(1)得到的混合物料進行臭氧氧化處理，臭氧氧化過程中以氧氣為氣源，氣體流量為0.2Nm2/h，臭氧濃度為100-130mg/L，臭氧產率為10g/h，溫度設置為25°C，臭氧氧化的時間為50min ；
[0039](3)將步驟⑵得到的混合物料在-18?_20°C下冷凍，冷凍后放入_19°C的冷凍干燥機中干燥84h，得黑色粉末；
[0040](4)將步驟(3)得到的黑色粉末與炭黑、粘結劑以8:1:1的比例在N-N-二甲基乙二胺中混合，攪拌至均勻；
[0041](5)將步驟(4)得到攪拌均勻的混合物用涂膜器涂覆在集流體石墨片上，在室溫下干燥2h，放入80 °C的干燥箱中干燥24h ;
[0042](6)將干燥的電極片橡膠墊片、有機玻璃隔板和無紡布隔膜按次序壓在一起，用螺絲固定，制備成完整的電容去離子模塊單元用去離子水在9mL/min的流速下洗滌24h。
[0043](7)將洗滌好的電池用于脫鹽工藝，電壓為1.2V，循環液為50mL，流速為5mL/min，在25°C下循環30次以上，每次循環吸附和脫附時間均為1200s。
[0044]將步驟(7)中電化學工作站在線監測的電導率變化的數據進行處理，得到濃度和脫鹽量。
[0045]本實施例用改性活性炭(AC0)和初始活性炭(AC)為電極進行電容去離子作用的濃度變化曲線如圖7。
[0046]實施例2
[0047]以活性炭為原料通過臭氧氧化處理簡單快速實現改性活性炭的制備，并將其用于電容去離子作用，包括如下步驟:
[0048](1)將3.5g比表面積為2000m2/g，總孔容為lcm3/g的活性炭與250mL水混合，制備成黑色懸濁混合物料，將所述混合物料置于300w超聲波清洗機中25°C?30°C下超聲處理 15min ；
[0049](2)將步驟(1)得到的混合物料進行臭氧氧化處理，臭氧氧化過程中以氧氣為氣源，氣體流量為0.2Nm2/h，臭氧濃度為100-130mg/L，臭氧產率為10g/h，溫度設置為25°C，臭氧氧化的時間為50min ；