碳纤维毡电极制备与电吸附脱盐性能研究

作     者：韩玉芳 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：温广武

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：海水淡化 电容去离子 碳纤维毡 碳纳米管 石墨烯 静电纺丝 

摘      要：随着经济社会的快速发展,淡水资源的需求量越来越多。但是由于水资源流失、水源头污染等问题的出现,使可利用的淡水资源越来越少。为了解决淡水资源短缺的问题,研究人员多采用海水淡化的方法,其中一种较新颖的技术称为电容去离子技术(CDI)。电容去离子技术的核心内容是电极材料的制备。碳材料具有耐酸、碱、盐腐蚀的特性,是海水淡化电极的首选材料。其中,碳纤维毡具有自支撑的作用,导电性能优异,所以本论文主要研究了碳纤维毡的三种形式的电极材料:长切碳微米纤维毡,静电纺丝碳纳米纤维毡,分级结构碳纤维毡。实验过程中,先制备原材料,再对材料的形貌、结构进行表征,最后测试材料的电吸附脱盐能力。针对碳微米纤维毡(CMFs),用丙酮、硝酸对长切碳纤维毡表面处理。制备材料的接触角为40.1°,电阻率为47.1mΩ·cm,比表面积为9.6185m2/g。探究影响碳微米纤维毡电极除盐效果的因素,确定最佳的实验方案:电极按照垂直水流方向摆放;相同质量情况下,电极对数为10对时,电吸附脱盐效果比5对、3对好;最佳电吸附除盐电压为1.2V;对于浓度为1000mg/L、2000mg/L、3000mg/L、4000mg/L的盐溶液,碳微米纤维毡电极都具有吸附效果。对碳微米纤维毡电极材料性能测试,结果显示:在氯化钠溶液浓度为200mg/L条件下,除盐百分比为5.14%,吸附量为2.05mg/g;在氯化钠溶液浓度为500mg/L条件下,除盐百分比为9.04%,吸附量为9.04mg/g;在氯化钠溶液浓度为1000mg/L条件下,除盐百分比为8.69%,吸附量为17.39mg/g。针对碳纳米纤维毡(CNTs/G/CNFs),采用静电纺丝的方法制备碳纳米纤维毡的最佳工艺条件:静电纺丝时,需控制直流高压24KV,选择针头内直径0.4±0.01mm,调整滚筒转速30r/min,摆放注胶机喷头间距15cm;预氧化阶段,预氧化温度为290℃,保温1h;碳化阶段,碳化温度为900℃,保温1h。制备的电极材料接触角为126.57o,比表面积为223.8m2/g,电阻率为1.865×10-3Ω·m。对CNTs/G/CNFs电极材料性能测试,结果显示:在氯化钠溶液浓度为200mg/L条件下,最佳除盐百分比为24.7%,吸附量为8.22mg/g;在氯化钠溶液浓度为500mg/L条件下,最佳除盐百分比为17.78%,吸附量为18.77mg/g;在氯化钠溶液浓度为1000mg/L条件下,最佳除盐百分比为18.01%,吸附量为36.03mg/g;五次循环使用,首次效果最好,依次使用,除盐效果稍有减弱。针对分级结构碳纤维毡(D-CNTs/CCNFs),用钴盐、镍盐的乙醇溶液事先处理好CMFs,将其与CNTs/G/CNFs纤维逐层叠加压制成毡,将成毡预氧化、碳化处理,可以得到碳纳米管均匀生长的D-CNTs/CCNFs纤维毡。对D-CNTs/CCNFs电极材料性能测试,结果显示:在氯化钠溶液浓度为200mg/L条件下,最佳除盐百分比为27.22%,吸附量为9.04mg/g;在氯化钠溶液浓度为500mg/L条件下,最佳除盐百分比为19.86%,吸附量为20.96mg/g;在氯化钠溶液浓度为1000mg/L条件下,最佳除盐百分比为18.83%,吸附量为37.67mg/g;五次循环使用,首次效果最好,依次使用,除盐效果稍有减弱。综上可知,碳纤维毡三种形式的电极都具有电吸附脱盐的能力,其中分级结构碳纤维毡电极的性能最佳,在200mg/L、500mg/L、1000mg/L浓度下的电吸附脱盐能力均大于碳微米纤维毡和碳纳米纤维毡。