鱗片石墨摻雜的二元碳材料復合電極、制備及其在電吸附脫鹽上的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開一種鱗片石墨摻雜的二元碳材料復合電極、制備及其在電吸附脫鹽上的應(yīng)用，屬于電容去離子領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]電吸附是一種基于電化學雙電層電容理論的電吸附脫鹽技術(shù)。具有脫鹽效率高、低能耗、無二次污染、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點。其廣泛應(yīng)用在海水脫鹽、家庭和工業(yè)用水軟化、廢水凈化、半導體加工中高純水的制備和農(nóng)業(yè)灌概用水脫鹽等領(lǐng)域。電吸附是近幾十年隨著碳材料科學的發(fā)展而日益廣受重視的新型脫鹽技術(shù)。
[0003]自I960年，Grahame首先提出電容去離子技術(shù)，電吸附脫鹽經(jīng)過五十多年的研究，已經(jīng)取得一定研究進展。上個世紀90年代，美國勞倫斯實驗室Farmer教授首先制備了碳氣凝膠材料，用其作為吸附電極，能夠有效地去除水中的NaCl ；2000年后，南澳大學Zou教授等人運用石墨烯、碳納米管和活性炭纖維等作為電極，有效地提高電極的吸附容量、導電性和吸附效率；2012年，韓國國家材料研究所Kim等人通過將樹脂與活性炭材料復合，制備選擇性去除硝酸鹽的復合電極，該電極能夠有效去除水中的硝酸鹽。在上述研究基礎(chǔ)上，各國研究者運用新型的電極材料制備電吸附裝置，并將其運用在實際工程中。目前，電吸附技術(shù)已經(jīng)能夠很好地用在工業(yè)廢水脫鹽和海水淡化等方面。但是，由于碳氣凝膠等制備方法復雜，條件苛刻；碳納米材料的價格比較昂貴，制備較困難，很難工業(yè)化生產(chǎn)。因此，亟需開發(fā)較高比表面積、高吸附容量和易導電的碳材料。
[0004]然而，商品化的活性炭材料內(nèi)部的孔道沒有得到充分利用，且材料本身導電性不好，電極容易老化或者被污染。因此，作為電極材料，如果能夠增加材料的比表面積或者提高其導電性，即會解決吸附效率低、成本高和電極壽命短等問題。
[0005]鱗片石墨優(yōu)點較多，具體包括:極強的耐壓性、柔韌性、可塑性和自潤滑性；極強的抗高、低溫、抗腐蝕、抗輻射特性；極強的抗震特性；極強的電導率；極強的抗老化、抗扭曲的特性等。因此，鱗片石墨作為導電劑和吸附材料非常適合。本發(fā)明有效利用其性質(zhì)，將其與碳材料摻雜，發(fā)揮二元復合材料的協(xié)同增效作用，提高電極材料性能，進一步拓展在電吸附脫鹽領(lǐng)域的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于利用低成本廉價的原料、操作簡單的方法實現(xiàn)導電材料與碳材料復合，將制備出的具有優(yōu)異導電性和吸附性能的電極材料應(yīng)用于電吸附脫鹽中。
[0007]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是:一種鱗片石墨與碳材料復合電極，通過分散在有機溶劑中的粘結(jié)劑將鱗片石墨與碳材料的復合材料固定在電極片上，經(jīng)過壓膜成型，真空烘干制得所述電極。
[0008]上述復合材料中電極片為鋁、鎳、鈦、銅、不銹鋼材料的網(wǎng)、箔膜或海綿體。
[0009]上述復合材料中鱗片石墨與碳材料的質(zhì)量比為:碳材料:鱗片石墨=(99:1Γ(1:2)。
[0010]上述復合材料中所述的碳材料選自活性炭、石墨烯、碳納米管、介孔碳、碳纖維、碳氣凝膠或多孔碳中的一種。
[0011]上述有機溶劑選自乙醇、甲醇或異丙醇中的一種或幾種的混合物。
[0012]上述粘結(jié)劑選自PTFE、PVDF或聚乙二醇中的任意一種。
[0013]將上述鱗片石墨與碳材料復合電極應(yīng)用于電吸附脫鹽中。
[0014]所述的鹽為NaCl，所述的吸附時間為10~150分鐘，脫附時間為10~150分鐘，通電電壓為1.1?1.0V。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是:
本發(fā)明提供了一種鱗片石墨與碳材料復合電極的制備方法并且將其作為電吸附脫鹽電極，根據(jù)該方法制備的電極，具有優(yōu)良的吸附和脫附動力學性能，良好的導電性能，可以在飲用水凈化、城市生活污水脫鹽處理等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明實施例4中的電極材料SEM圖。
[0017]圖2為本發(fā)明實施例6中的交流阻抗結(jié)果。
[0018]圖3為本發(fā)明實施例6對NaCl的吸附情況。
【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明提供的電吸附裝置與文獻報道的電吸附裝置結(jié)構(gòu)相同，有正極、負極、隔膜等部分組成。其中正極和負極有一極或兩極有含高比表面的導電材料與碳材料復合材料組成。
[0020]本發(fā)明具體步驟如下:
(a)將鱗片石墨與碳材料的復合材料溶于有機溶劑中，混合均勻；
其中碳材料與鱗片石墨的質(zhì)量比為(99:1~1:2)，有機溶劑選自乙醇、甲醇或異丙醇中的一種或幾種混合物；
(b)配置粘結(jié)劑，將粘結(jié)劑溶于有機溶劑中，混合質(zhì)量比為(10:7~1:2)，其中，有機溶劑選自乙醇、甲醇、異丙醇或DMAC中的一種或者幾種；
(c)將(a)與(b)混合均勻，用研缽研磨，超聲6~8小時；
(d)將其均勻涂到電極片上，并且真空80°C烘干24小時以上得到電極；
(e)使用電極前將其浸泡在超純水中過夜，洗去表面物質(zhì)。
[0021]實施例1
將粉末活性炭10 g、鱗片石墨10 g按照1:1的比例混合，溶于300 mL乙醇中，混合均勻，在研缽中碾磨均勻，超聲3小時。將粘結(jié)劑PTFE 66 g(含量60%)按比例(復合材料:粘粘劑)=1:2溶于200 mL乙醇中，分散1小時。將兩者混合均勻，超聲3小時。混合后的溶液涂于電極片上，真空80 °C烘干24小時。
[0022]對新型材料做電吸附研究:制備好的電極在超純水中浸泡24小時。將制備的復合材料電極片安裝到電吸附裝置中，作為正負極，兩極通電為1.6 V，取100 mg/L NaCl溶液1 L脫鹽，吸附時間60分鐘，脫附時間120分鐘，脫鹽率可以達到80%。
[0023]實施例2
將粉末活性炭18 g、鱗片石墨2 g按照9:1的比例混合，溶于300 mL乙醇和甲醇(1:1)混合溶劑中，混合均勻，在研缽中碾磨均勻，超聲3小時。將粘結(jié)劑PTFE 23.1 g (含量60%)按比例(復合材料:粘粘劑)=10:7溶于200 mL乙醇中，分散1小時。將兩者混合均勻，超聲3小時?；旌虾蟮娜芤和坑陔姌O片上，真空80 °C烘干24小時。
[0024]對新型材料做電吸附研究:制備好的電極在超純水中浸泡24小時。將制備的復合材料電極片安裝到電吸附裝置中，作為正負極，兩極通電為2.0 V，取100 mg/L NaCl溶液1 L脫鹽，吸附時間150分鐘，脫附時間60分鐘，脫鹽率可以達到90%。
[0025]實施例3
將粉末活性炭14 g、鱗片石墨6 g按照7:3的比例混合，溶于300 mL異丙醇中，混合均勻，在研缽中碾磨均勻，超聲3小時。將粘結(jié)劑PTFE 66 g (含量60%)按比例(復合材料:粘粘劑)=1:2溶于200 mL乙醇中，分散1小時。將兩者混合均勻，超聲3小時?；旌虾蟮娜芤和坑陔姌O片上，真空80 °C烘干24小時。
[0026]對新型材料做電吸附研究:制備好的電極在超純水中浸泡24小時。將制備的復合材料電極片安裝到電吸附裝置中，作為正負極，兩極通電為1.8 V，取100 mg/L NaCl溶液1 L脫鹽，吸附時間40分鐘，脫附時間60分鐘，脫鹽率可以達到80%。
[0027]實施例4
將粉末活性炭18 g、鱗片石墨2 g按照9:1的比例混合，溶于300 mL乙醇中，混合均勻，在研缽中碾磨均勻，超聲3小時。將粘結(jié)劑PTFE 33 g (含量60%)按比例(復合材料:粘粘劑)=1:1溶于200 mL乙醇中，分散1小時。將兩者混合均勻，超聲3小時?；旌虾蟮娜芤和坑陔姌O片上，真空80 °C烘干24小時。
[0028]對新型材料做電吸附研究:制備好的電極在超純水中浸泡24小時。方法同實施例1，將制備的復合材料電極片安裝到電吸附裝置中，作為正負極，通電1.7 V，取100 mg/LNaCl溶液1 L脫鹽，吸附時間150分鐘，脫附時間40分鐘，脫除水體中的鹽份。脫鹽率可以達到84%。
[0029]圖1為復合電極的掃描電鏡，從圖中可以看到活性炭和鱗片石墨同時存在。
[0030]實施例5
將粉末活性炭19.8 g、鱗片石墨0.2 g按照99:1的比例混合，溶于300 mL乙醇中，混合均勻，在研缽中碾磨均勻，超聲3小時。將粘結(jié)劑PTFE 66 g (含量60%)按比例(復合材料:粘粘劑))=1:2溶于200 mL乙醇中，分散1小時。將兩者混合均勻，超聲3小時。混合后的溶液涂于電極片上，真空80 °C烘干24小時。
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