基于活性炭电极的电容去离子技术制备纯水应用研究_檀畅.pdf

第 43 卷第 1 期2023 年 2 月林产化学与工业Chemistry and Industry of Forest ProductsVol 43 No 1Feb 2023收稿日期:2021-12-21基金项目:江苏省生物质能源与材料重点实验室基本科研业务费重大项目(JSBEM-S-202101);江苏省自然资源发展专项资金(海洋科技创新)(JSZHYKJ202001);中国博士后科学基金(2021M691337)作者简介:檀 畅(1996)，男，安徽池州人，研究实习员，硕士，主要从事炭质吸附材料的制备与应用研究*通讯作者:孙 康，研究员，博士，主要从事生物质基炭材料的基础与应用研究;E-mail:sunkang0226163 com。doi:10 3969/j issn 0253-2417 2023 01 009基于活性炭电极的电容去离子技术制备纯水应用研究TAN Chang檀 畅1，李 蓓2，3，王 傲1，刘晓静2，姚东瑞2，孙 康1*(1中国林业科学研究院 林产化学工业研究所;江苏省生物质能源与材料重点实验室;国家林业和草原局林产化学工程重点实验室;林木生物质低碳高效利用国家工程研究中心;江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心，江苏 南京 210042;2江苏省中国科学院植物研究所，江苏 南京 210014;3南京林业大学，江苏 南京 210037)摘要:电容去离子技术(CDI)是新型高效低耗的苦咸水淡化技术，本研究探讨了基于活性炭电极的 CDI 生产纯水的可行性。采用活性炭电极、石墨集流体、有机玻璃隔板等自行设计组装的 CDI 脱盐系统，以城市自来水为水源，研究了该脱盐系统的脱盐量、能耗、脱盐率、离子截留率、回收率和循环稳定性等。结果表明:活性炭 BET 比表面积为 1 586 m2/g，平均孔径为 2 08 nm，孔容积为 0 82 cm3/g，XPS 分析表明该活性炭含碳、氧、氮的量分别为94 81%、4 10%和 1 09%，表面含有少量的含氧官能团和含氮官能团;电容去离子技术可以制备出离子浓度0 06 mmol/L、溶解性总固体量低于 5 mg/L 的纯水，产水能耗仅为0 115 5 kWh/m3，脱盐率为98 1%，对各离子截留率为786%998%，水回收率达到80%，且脱盐系统经过吸附-脱附循环42 次后，电极的脱盐性能保持稳定，循环性能良好。关键词:电容去离子;活性炭;电吸附;纯水制备中图分类号:TQ35;TQ424 1文献标志码:A文章编号:0253-2417(2023)01-0072-07引文格式:檀畅，李蓓，王傲，等 基于活性炭电极的电容去离子技术制备纯水应用研究 J 林产化学与工业，2023，43(1):7278The Application of Capacitive Deionization Technology Based onActivated Carbon Electrode to Produce Pure WaterTAN Chang1，LI Bei2，3，WANG Ao1，LIU Xiaojing2，YAO Dongrui2，SUN Kang1(1Institute of Chemical Industry of Forest Products，CAF;Key Lab of Biomass Energy and Material，Jiangsu Province;KeyLab of Chemical Engineering of Forest Products，National Forestry and Grassland Administration;National Engineeringesearch Center of Low-Carbon Processing and Utilization of Forest Biomass;Jiangsu Co-Innovation Center of EfficientProcessing and Utilization of Forest esources，Nanjing 210042，China;2Institute of Botany，Jiangsu Province andChinese Academy of Sciences，Nanjing 210014，China;3Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China)Abstract:Capacitive deionization(CDI)was emerging as a technology with low-energy consumption in treating brackish waterThe feasibility of CDI technology based on carbon electrodes in producing pure water was investigated in this work A self-designed CDI desalination system was constructed with activated carbon electrodes，graphite current collector，plexiglass spacer，etc The desalination capacity，energy consumption，salt removal rate，ion interception rate，water recovery and stability of theCDI system were explored by using urban tap water as the feed The results showed that the specific surface area of Activatedcarbon was 1 586 m2/g，average pore diameter was 2 08 nm，and total pore volume was 0 82 cm3/g XPS showed that thecarbon，oxygen and nitrogen contents of the activated carbon were 94 81%，4 10%and 1 09%，respectively，which containeda small amounts of oxygen-and nitrogen functional groups on the surface The CDI system could produce pure water with ionconcentration of 0 06 mmol/L and total dissolved solids(TDS)lower than 5 mg/L，while the energy consumption was only0 115 5 kWh/m3and the overall salt removal rate reached 98 1%The ion rejection rates of various ions were ranging from第 1 期檀 畅，等:基于活性炭电极的电容去离子技术制备纯水应用研究7378 6%to 99 8%，and the water recovery was 80%Furthermore，the desalination performance of the electrode remained stableand the cycle performance was good after 42 adsorption-desorption cyclesKey word:capacitive deionization;activated carbon;electrical adsorption;pure water production纯水是指利用各种水处理工艺，除去水中杂质，如悬浮物、有机污染物和无机盐等后，得到的成品水1。按纯度可将纯水分为软化水、脱盐水、高纯水等，其在电子、化工、医疗、酒类等领域得到大量应用2 3。纯水的制备通常由原水预处理、脱盐处理、后处理三大部分组成，其中脱盐处理工艺是纯水制备中最重要的步骤4。目前脱盐处理大多采用离子交换法、反渗透法和电吸附法。离子交换法利用离子交换树脂去除水中杂质，具有出水水质好、技术成熟稳定等优点，但应用过程中需要通过大量酸碱对树脂进行再生且再生液中含有酸碱，对环境造成污染5 7。反渗透法是指在半透膜的原水一侧施加比溶液渗透压高的外界压力，水通过反透膜而其他物质被截留在膜表面。该技术具有高效、自动化程度高，出水水质稳定等优势，广泛用于纯水制备、海水淡化、废水处理等领域。反渗透技术由于需要配合高压泵使用，其设备成本高、产水能耗高，且反渗透技术使用过后会产生废弃膜污染8。电容去离子技术(CDI)是基于超级电容器双电层理论发展而来的一种新型脱盐工艺，即在电极通电的情况下，带电电极与溶液界面形成双电层，吸附溶液中的离子存储于电极表面，电极吸附饱和后短接或反接实现电极再生9 11。与传统脱盐技术相比，CDI 利用电场力进行盐离子的吸附与脱除，运行过程中不需额外的高压泵设备、不产生噪声，并且其再生过程无需额外化学品，不产生二次污染，同时其设备能量利用率高、产水能耗低。因此，CDI 在纯水制备领域有着极为可观的应用前景12 14。然而，目前关于电容去离子的研究大多集中于电极材料和理论的研究，缺乏证明其在纯水制备领域应用的可行性研究。因此，本研究以商用活性炭为电极，以城市自来水为原水，以电容去离子技术的出水纯度、离子截留率、能耗、稳定性等为指标，综合探究电容去离子设备制备纯水的能力，并与反渗透技术进行对比，以期为制备纯水提供新途径，为电容去离子技术的实际应用提供参考和设计依据。1实 验1 1原料、试剂与仪器活性炭粉末(由石油焦高温热解制备，粒度8 m，含水量2%，含灰分0 2%)，河南大潮炭能科技有限公司;石墨纸，北京晶龙特碳科技有限公司;导电炭黑，赛博电化学材料公司;聚偏氟乙烯(PVDF)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)，均为市售电子级纯。VMP3 型电化学工作站，法国 Bio-Logic 公司;4520 型电导率测试仪，英国 Jenway 公司;ASAP2460 型全自动比表面积分析仪，美国 Micrometric 公司;Agilent 5110 分光光度计，美国 Agilent 公司;Quanta200型环境扫描电子显微镜，美国 FEI 公司;ICD-5000 型离子色谱仪，美国戴安公司;Kalpha X 射线光电子能谱仪，美国赛默飞公司;NexION300X 电感耦合等离子体质谱仪，美国 PerkinElmer 公司。1 2活性炭电极的制备将活性炭粉末、导电炭黑置于 150 恒温干燥箱中干燥 3 h，取适量 PVDF 溶解于 NMP 中，利用磁力搅拌器充分混匀 1 h 后，将活性炭粉末、导电炭黑与 PVDF 按照质量比 811 加入混合，磁力搅拌 5 h充分混匀，利用涂覆机将混合均匀的活性炭混合液涂覆在石墨纸集流体上，涂覆厚度为 500 m。在80 真空干燥箱内干燥 12 h 后，将石墨纸剪成 9 cm 9 cm，即得活性炭电极。1 3实验装置与步骤CDI 脱盐系统如图 1 所示，该系统由电化学工作站、电容去离子模块、蠕动泵、流量计和电导率测试仪等组成。其中，电容去离子模块呈叠层结构，由有机玻璃隔板、橡胶垫圈、石墨集流体、活性炭电极和绝缘隔膜组成，包含 2 对活性炭电极，内部结构如图 2 所示。将活性炭电极组装成 CDI 模块，以城市自来水为水源，测试电容去离子设备制备纯水的性能。将城市自来水加入到 4 L 的储水罐中，通过调整蠕动泵转速控制液体流速 1 8 mL/s