專利名稱：一種脫鹽用整體式聚丙烯腈炭纖維電極的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種脫鹽用整體式聚丙烯腈炭纖維電極的制備方法，屬于新型炭素材料制備及其水處理技術領域。
背景技術：
電容去離子技術(Capacitive Deionization Technology, CDT)是基于雙電層電容器原理進行充電脫鹽和放電再生的一種全新的電吸附脫鹽方法。由于除鹽過程中僅需要使用直流電(0. 5 2V)，而將電極短路或者反接就可實現電極的循環再生，不需要使用大量的酸堿對電極進行清洗，因此不會產生二次污染物，具有節能、環保、高效且操作簡單等特點。在電容去離子脫鹽技術中，電極材料主要采用滿足電化學性能要求的炭材料。影響炭電極吸附容量的關鍵因素有兩個一是電極孔隙內形成的雙電層吸附電容，其大小主要取決于電極材料的比表面積、孔徑分布以及電極本身的電化學性能。另外一個影響電容去離子炭電極吸附容量的關鍵因素是由于發生法拉第反應(可逆的氧化、還原反應)造成的贗容量，這一容量依賴于電極表面的活性物質，此類活性物質能夠和溶液中離子作用形成化學鍵。早期制備的普通活性炭電極，以及商業活性炭纖維電極，由于富含微孔，重疊效應明顯使得脫鹽效率很低。近年來，電容去離子技術的炭電極材料研究和應用主要集中在介孔含量豐富的炭材料上。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室研制開發的炭氣凝膠電極材料， 比表面積為300 600m2/g，孔徑分布在2 50nm，研究表明炭氣凝膠電極可有效去除水溶液中的鈉離子和氯離子。同濟大學李智利用炭氣凝膠，對NaF溶液進行了電吸附的研究。上海大學張登松，華東師范大學王新征對碳納米管電極脫鹽做了很好的工作。但炭氣凝膠有著機械強度低、制備成本高、孔徑分布太寬且難以調控等缺點，難以進一步推廣利用；碳納米管不但制備成本較高而且潛在的毒性也引發了人們對其作為凈水材料使用的擔憂。澳大利亞Zou利用介孔硅，通過模板法制備得到比表面積為844m2/g，平均孔徑為3. 3nm的介孔炭電極，取得了很好的脫鹽效果。然而采用模板法制備介孔炭，必須要先制備硅或高分子模板，工藝冗長，很難適用于炭材料的規模化制備。因此，針對電容去離子脫鹽電極的性能特點和要求，制備一種新型的炭電極材料是將該技術進行實用化推廣的前提。
發明內容
為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種用于電容去離子脫鹽的整體式炭纖維的制備方法。該方法利用靜電紡絲技術，將聚丙烯腈電紡成膜，然后經預氧化、炭化、 活化處理制備得到炭纖維，該技術制備的炭纖維電極材料具有整體性好、纖維直徑細、質量比電容大、脫鹽能力高等特點。本發明采用的技術方案是—種脫鹽用整體式聚丙烯腈炭纖維電極的制備方法，該制備方法步驟如下
(1)以聚丙烯腈為碳源，將聚丙烯腈溶于N，N_ 二甲基甲酰胺中配制成8 10%的可紡溶液，然后在一定紡絲電壓、一定接受距離下，在旋鼓上接收電紡成的聚丙烯腈膜；將具有一定厚度的聚丙烯腈膜置于炭化爐中，空氣氣氛條件下，以l°c /min升溫速率升溫至穩定化溫度并保溫一段時間，然后升溫至所需炭化溫度炭化半小時，再次以5°C /min升溫至所需活化溫度，通入(X)2或水蒸氣活化一定時間，制備得聚丙烯腈活性炭纖維；(2)電極組裝方式是將上述步驟制備的整體式炭纖維粘結在集流器上，并在中間布設隔膜；(3)在一定的脫鹽直流電壓下，進行電吸附脫鹽；當電極短路或者反接時，實現電極的循環再生。所述紡絲電壓為15 ^kv,接受距離為15 20cm，轉鼓轉速為100 500轉/ min。所述電紡成的聚丙烯腈膜厚度為0. 5 5mm ；所述制備的聚丙烯腈炭纖維厚度為 0. 2 3mm。所述穩定化溫度為230 300°C，保溫時間為2 10小時。所述活化溫度為700 1000°C，活化時間為0. 5 2小時。所述聚丙烯腈炭纖維的比表面積在500 1500m2/g ；質量比電容在150 250F/ g°所述集流器為銅箔集流器、不銹鋼片以及石墨片的一種；中間布設的隔膜為無紡布或者陰陽離子交換膜。所述脫鹽直流電壓為0. 0-5. 0V，典型值為1. 6-3. 0V。上述技術方案的指導思想是聚丙烯腈是一種重要的炭纖維前驅體，而靜電紡絲法是制備聚丙烯腈炭纖維膜的一種有效方法。通過靜電紡絲法參數優化，所制備的聚丙烯腈纖維直徑可調變至幾十個納米至幾百個納米之間，比傳統紡織纖維的直徑小幾個數量級；并且靜電紡絲制備的炭材料具有宏觀整體性，克服了粉體炭材料需要加粘結劑和導電劑的弊端，因而具有更為優異的電化學性能。因此本發明針對電容去離子技術脫鹽用炭電極的性能特點和結構要求，通過靜電紡絲法調控制備具有整體式性能的聚丙烯腈基炭纖維電極，并用于基于雙電層理論的電容去離子海水淡化技術，展現了該電極具有優異的脫鹽潛力和工業應用前景。本發明的有益效果是該方法基于靜電紡絲技術，將聚丙烯腈電紡成膜，然后經預氧化、炭化、活化處理，所制備的炭纖維材料具有宏觀整體性、纖維直徑細、質量比電容大、 脫鹽能力高等特點。在1. 6伏直流電壓下，對初始濃度為70mg/l的NaCl溶液進行電吸附脫鹽處理，容量達到4. 6%igNaCl/g，顯示了較強的脫鹽能力。該新型炭纖維電極可廣泛用于苦咸水及其海水淡化，水質軟化及其重金屬離子的脫除等領域。
圖1為靜電紡絲法制備的PAN膜。圖2為900°C活化所得的炭纖維。圖3為900°C活化所得的炭纖維局部電鏡掃描圖。圖4為不同活化溫度條件下制備的炭纖維，質量比電容值隨掃描速率變化圖。
圖5為不同NaCl濃度條件下電容去離子電吸附脫鹽工況圖。
具體實施例方式下面通過實例對本發明作進一步說明本實例通過靜電紡絲工藝制備得到聚丙烯腈纖維膜(圖1)，然后考察不同活化溫度(750、800、900°C )條件下的炭纖維性能，具體性能見表1。從表1可知，比表面積隨著活化溫度的增加而增加；活化溫度為900°C時，比表面積為712m2/g。另外，炭纖維平均孔徑在 2nm以上，因而含有豐富的介孔，這對于鹽分的吸附是有利的，因為介孔更加有利于水合鈉離子和水合氯離子的電吸附。表1整體式活性PAN基炭纖維孔徑性能特征
權利要求
1.一種脫鹽用整體式聚丙烯腈炭纖維電極的制備方法，該制備方法步驟如下(1)以聚丙烯腈為碳源，將聚丙烯腈溶于N，N-二甲基甲酰胺中配制成8 10%的可紡溶液，然后在一定紡絲電壓、一定接受距離下，在旋鼓上接收電紡成的聚丙烯腈膜；將具有一定厚度的聚丙烯腈膜置于炭化爐中，空氣氣氛條件下，以1°C /min升溫速率升溫至穩定化溫度并保溫一段時間，然后升溫至所需炭化溫度炭化半小時，再次以5°C /min升溫至所需活化溫度，通入(X)2或水蒸氣活化一定時間，制備得聚丙烯腈活性炭纖維；(2)電極組裝方式是將上述步驟制備的整體式炭纖維粘結在集流器上，并在中間布設隔膜；(3)在一定的脫鹽直流電壓下，進行電吸附脫鹽；當電極短路或者反接時，實現電極的循環再生。
2.根據權利要求1所述的一種脫鹽用整體式聚丙烯腈炭纖維電極的制備方法，其特征是所述紡絲電壓為15 25kv，接受距離為15 20cm，轉鼓轉速為100 500轉/min。
3.根據權利要求1所述的一種脫鹽用整體式聚丙烯腈炭纖維電極的制備方法，其特征是所述電紡成的聚丙烯腈膜厚度為0. 5 5mm ；所述制備的聚丙烯腈炭纖維厚度為0. 2 3mm ο
4.根據權利要求1所述的一種脫鹽用整體式聚丙烯腈炭纖維電極的制備方法，其特征是所述穩定化溫度為230 300°C，保溫時間為2 10小時。
5.根據權利要求1所述的一種脫鹽用整體式聚丙烯腈炭纖維電極的制備方法，其特征是所述活化溫度為700 1000°C，活化時間為0. 5 2小時。
6.根據權利要求1所述的一種脫鹽用整體式聚丙烯腈炭纖維電極的制備方法，其特征是所述聚丙烯腈炭纖維的比表面積在500 1500m2/g ；質量比電容在150 250F/g。
7.根據權利要求1所述的一種脫鹽用整體式聚丙烯腈炭纖維電極的制備方法，其特征是所述集流器為銅箔集流器、不銹鋼片以及石墨片的一種；中間布設的隔膜為無紡布或者陰陽離子交換膜。
8.根據權利要求1所述的一種脫鹽用整體式聚丙烯腈炭纖維電極的制備方法，其特征是所述脫鹽直流電壓為0. 0-5. 0V,典型值為1. 6-3. 0V。
全文摘要
一種脫鹽用整體式聚丙烯腈炭纖維電極的制備方法，屬于新型炭素材料制備及其水處理技術領域。該方法基于靜電紡絲技術，將聚丙烯腈電紡成膜，然后經預氧化、炭化、活化處理，所制備的炭纖維材料具有宏觀整體性好、纖維直徑細、質量比電容大、脫鹽能力高等特點。在1.6伏直流電壓下，對初始濃度為70mg/l的NaCl溶液進行電吸附處理，炭纖維電極吸附容量達到4.64mgNaCl/g，顯示了較強的脫鹽能力。該新型炭纖維電極可廣泛用于苦咸水與海水淡化，水質軟化及其重金屬離子的脫除等領域。
文檔編號C02F1/469GK102285706SQ20111010324
公開日2011年12月21日 申請日期2011年4月24日 優先權日2011年4月24日
發明者潘超, 王剛, 邱介山, 錢冰清 申請人:大連理工大學