活性炭的電容去離子特性

　　由于水污染的蔓延，水資源短缺已成問題。從受污染的廢水中獲得清潔的淡水需要海水淡化技術(shù)。水處理廠已采用反滲透(RO)、電滲析和熱蒸發(fā)等脫鹽工藝。由于這些海水淡化技術(shù)消耗大量能源，其處理成本普遍較高。因此，電容去離子作為一種節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的海水淡化技術(shù)，近年來備受關(guān)注。對(duì)于更廣泛的工業(yè)應(yīng)用，經(jīng)常用于水處理過程的顆粒活性炭也滿足作為電容去離子電極的表面積要求。在這項(xiàng)研究中，通過實(shí)驗(yàn)研究了將活性炭用于電容去離子電極的可能性。

　　電容去離子單元

　　使用活性炭作為電極的電容去離子電池的結(jié)構(gòu)在圖1顯示。該電池由兩個(gè)集電器、一個(gè)隔板和粒狀活性炭組成。這些組件按照下集電器、活性炭、隔板、活性炭和上集電器的順序堆積。上下集電器有出水口和進(jìn)水口。石墨片和由纖維素制成的濾紙分別用于集電器和隔膜。對(duì)于活性炭電極，本研究中使用了椰殼活性炭。活性炭的粒徑范圍為0.5～1.7mm。使用壓縮活性炭顆粒的電池壓降約為4kPa。在之前的研究中，傳統(tǒng)電容去離子電池的壓降為138-276kPa(20-40psi)。假設(shè)壓縮的活性炭比傳統(tǒng)CDI電池的粉末碳層多孔。因此，預(yù)計(jì)使用壓縮活性炭的CDI單元的進(jìn)料泵比傳統(tǒng)CDI單元消耗的能量要少得多。

　　圖1：(a)使用活性炭作為電極的CDI電池的結(jié)構(gòu)和(b)單程模式下CDI設(shè)備的示意圖。

　　單程模式下的連續(xù)操作循環(huán)

　　使用圖1所示的CDI單元進(jìn)行連續(xù)操作。流入溶液是10mM NaCl aq。流入溶液的流速和在CDI池中的停留。在吸附步驟中，施加2.0V的恒定電壓90分鐘。在解吸步驟中，將電池電壓短路120分鐘，此時(shí)流出物的電導(dǎo)率幾乎與流入物的電導(dǎo)率相同。進(jìn)行四次吸附/解吸循環(huán)。為了評(píng)估每個(gè)循環(huán)的鹽吸附容量，在每個(gè)單獨(dú)的吸附/解吸循環(huán)中測(cè)量處理過的水箱和濃縮水箱中的Na+、Cl-濃度。

　　有壓和無壓除離子

　　離子去除實(shí)驗(yàn)中有無壓力時(shí)電導(dǎo)率的時(shí)間變化如圖2(a)所示。在1.2V施加壓力(677kPa)的情況下，出水電導(dǎo)率迅速下降至0.73mS/cm，并在0.83mS/cm左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。另一方面，當(dāng)沒有對(duì)電極施加壓力時(shí)，流出物電導(dǎo)率保持在1.1mS/cm的初始值附近。離子去除實(shí)驗(yàn)中Na+和Cl-濃度隨壓力(677kPa)的時(shí)間變化也如圖2(b)所示。由于Na+和Cl-濃度以與電導(dǎo)率相同的方式下降，認(rèn)為電導(dǎo)率變化歸因于Na+和Cl-離子的去除，并且在低于水電解理論電壓(+1.23V)時(shí)沒有發(fā)生水電解。

　　圖2：在離子去除實(shí)驗(yàn)(電壓1.2V，活性炭厚度10mm，進(jìn)水10 mM NaCl aq，壓力677kPa)期間，電導(dǎo)率和(b)Na+和Cl-濃度隨時(shí)間的變化(a)。

　　外加電壓對(duì)充電效率的影響

　　通過對(duì)活性炭層施加壓力，在1.2V時(shí)顯著提高了離子去除率。進(jìn)一步研究了施加電壓對(duì)鹽吸附容量、電荷和充電效率的影響，以最大限度地提高CDI電池的性能，使用壓縮活性炭而沒有水電解。即使施加的電壓高于1.23V，由于電化學(xué)反應(yīng)的過電位和/或水溶液中的歐姆降，也不一定會(huì)發(fā)生水電解。當(dāng)施加2.0V電壓時(shí)，分別評(píng)估電池或水溶液中的歐姆降。根據(jù)測(cè)得的電流和無水溶液電池的電阻，估計(jì)無水溶液電池的歐姆降約為0.04V。然后，根據(jù)測(cè)得的電流和溶液的電導(dǎo)率，水溶液的歐姆降發(fā)現(xiàn)溶液約為0.70V。如果包括CDI電池隔膜和電化學(xué)反應(yīng)活化電位的影響，則表明本研究中使用活性炭的CDI電池具有超過0.74V的過電壓。因此，很可能在高于2.0V時(shí)開始發(fā)生水電解。

　　活性炭的電容去離子特性在這項(xiàng)研究中，我們研究了將活性炭用于電容去離子電極的可能性。考慮到取決于電極材料和電池構(gòu)成的歐姆降，還通過實(shí)驗(yàn)評(píng)估了適用于具有壓縮活性炭的CDI電池的施加電壓。通過對(duì)活性炭電極施加壓力，電阻是電容去離子脫鹽的一個(gè)重要因素，因?yàn)榛钚蕴繉拥碾娮韬突钚蕴款w粒之間的接觸電阻都顯著降低。本研究中CDI電池的離子去除有效。當(dāng)對(duì)活性炭電極施加壓力時(shí)，發(fā)現(xiàn)充電效率與現(xiàn)有的CDI電池相當(dāng)。

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