CN111675285B - 一种三维有序孔隙电脱盐电极制作方法 - Google Patents

一种三维有序孔隙电脱盐电极制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维有序孔隙电脱盐电极制作方法，以短切碳纤维作为电极的三维骨架构建电极，并在电极制备过程中，加入动物发毛随后脱除，在电极中构建出有序孔隙。本发明制作工艺简单，制作成本低廉，耐候性强，制作出的有序孔隙电极可有效的提高电极的活性物质负载，并且电极具有极佳的机械强度，在电容去离子领域具有很高的应用价值和实用性。

Description

一种三维有序孔隙电脱盐电极制作方法
技术领域
本发明涉及电极技术，特别涉及一种以活性炭电极为基础的多孔三维电极制备方法，可以适用但不局限于工业上含有盐溶液的废水净化、钙镁离子含量高的硬质水脱盐、部分离子浓度含量高的引用水的净化、低盐浓度地表水的净化。
背景技术
淡水资源作为人类生活的必需品，其储存量的紧缺成为急需解决的问题。如果能够将海水或者苦咸水转换为纯净水，将有效解决淡水资源紧缺的问题。
世界上比较广泛使用的脱盐技术有蒸馏法、电渗析法、离子交换法和反渗透法等。随着技术发展，目前占据主要地位的是反渗透法(64％)，多级闪蒸法(23％)和多效蒸馏法(8％)。其他脱盐技术因为价格、脱盐效率及应用规模等问题而不具有市场竞争力，但以上方法都有其不足之处。反渗透法尽管有着操作简单，出水纯度高的特点，但工艺中需要高驱动能量，和定时清洗反渗透膜。高驱动能量带来高能耗，而清洗工艺也会带来二次污染。蒸馏法淡化海水时，设备占地面积大且设备易结垢。电渗析法需要高电压的工作条件，能耗高，难以推广。推动我国海水淡化产业的发展，关键在于提高新材料的研究水平和新工艺的开发创新能力。因此，发展低能耗、低成本、工艺简单，环境友好的新型海水脱盐技术意义重大。
电容去离子(CDI)，亦称电容去离子技术或电吸附或电容法脱盐。其依靠外加电压及高比表面积电极强大的吸附能力，对离子实现周期性地吸附与脱附，达到苦咸水脱盐的目的，具有能耗低，无二次污染等显著优点。在以往的研究中，电极主要是二维电极，单位面积上有效成分负载低，存在脱盐能力低下的问题。
本发明设计了一种全新的三维有序孔隙电脱盐电极，通过在三维电极上构建有序孔隙，达到了提高单位面积有效物质负载量的目的，有效提高了电容去离子的脱盐能力，对电容去离子技术从实验室阶段向实际生产阶段的过度提供了一种可行的方案。
发明内容
本发明的目的是解决传统电容去离子电极上单位面积上有效的活性物质负载过低所带来的电容去离子能力低的问题，提供一种三维有序孔隙电脱盐电极制作方法。本发明以短切碳纤维为三维骨架，通过动物毛发的加入及脱除构建有序孔隙，实现电极活性物质负载增加，电极脱盐能力增加。
本发明所采用的技术方案是：一种三维有序孔隙电脱盐电极制作方法，以短切碳纤维作为电极的三维骨架构建电极，并在电极制备过程中，加入动物毛发随后脱除，在电极中构建出有序孔隙。
进一步地，所述电极制作方法包括以下步骤：
步骤1，将碳纤维和动物毛发短切并在水溶液中进行超声分散；
步骤2，将短切碳纤维和短切动物毛发利用过滤装置过滤，过滤后取出；
步骤3，烘干过滤后的短切碳纤维和短切动物毛发；
步骤4，将烘干后的短切碳纤维和短切动物毛发浸泡在电极浆液中；
步骤5，将浸泡后的电极烘干；
步骤6，将电极利用碱液浸泡，恒温水浴，去除电极中的短切动物毛发，在电极内部留下有序孔隙。
进一步地，步骤1中，所述的碳纤维和动物毛发均短切至长度为2mm～5mm。
进一步地，步骤3中，所述的烘干温度为50℃～90℃。
进一步地，步骤4中，所述的电极浆液由活性炭、炭黑、偏聚氟乙烯，N-甲基吡咯烷酮混合制备得到。
进一步地，所述活性炭、炭黑、偏聚氟乙烯，N-甲基吡咯烷酮按照8g:1g:1g:70ml的比例混合。
进一步地，步骤5中，所述的将浸泡后的电极烘干，为烘干至将N-甲基吡咯烷酮完全蒸发。
进一步地，步骤5中，所述的烘干温度为60℃～110℃。
进一步地，步骤6中，所述的碱液为氢氧化钾溶液。
进一步地，步骤6中，所述的恒温水浴所采用的温度为60℃～80℃。
本发明的有益效果是：本发明一种三维有序孔隙电脱盐电极制作方法，包括三维骨架的搭建以及有序孔隙的构建两部分内容。将碳纤维和动物毛发进行短切，在溶液中分散均匀后取出烘干制备成三维电极的骨架。经过浸泡电极浆液制备成电极后，将电极放置于碱液中恒温水浴，对动物毛发进行水解，在电极内部留下有序孔隙。本发明制作工艺简单，制作成本低廉，耐候性强。制作出的有序孔隙电极可有效的提高电极的活性物质负载，并且电极具有极佳的机械强度，在电容去离子领域具有很高的应用价值和实用性。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，详细说明如下：
一种三维有序孔隙电脱盐电极制作方法，包括三维骨架的构建和有序孔隙的构建两部分。以短切碳纤维在水溶液中的分散以及成毡作为电极的三维骨架，以短切碳纤维分散过程中加入的动物毛发以及动物毛发的脱除构建电极的有序孔隙。
本发明电极制作方法，具体包括以下步骤：
将高导电碳纤维短切至2mm～5mm、将动物毛发短切至2mm～5mm，取短切碳纤维5g、短切动物毛发4g浸泡在1000ml去离子水中，经过搅拌超声后，使短切碳纤维和短切动物毛发均匀分散至水溶液中。
使用过滤网将分散后的短切碳纤维、短切动物毛发压缩至容器底部形成滤饼，将滤饼取出并进一步过滤其中的水，直至滤饼中没有水滴出。
将滤饼放置烘干箱中，用50℃～90℃温度烘干，至滤饼中水分全部烘干制备成毡状物备用。将毡状物裁剪至5*5cm2。
将毡状物浸泡至4g～6g的电极浆液中。其中，电极浆液由活性炭、炭黑、偏聚氟乙烯，N-甲基吡咯烷酮按照8g；1g:1g:70ml的比例混合，并搅拌24～48小时得到。将浸泡后的毡状物放置烘箱内，以60℃～110℃烘干至N-甲基吡咯烷酮全部蒸发。
将烘干后的毡状物放置到0.6mol/L～1.5mol/L氢氧化钾溶液中，以60℃～80℃恒温加热两小时并放置1天。利用动物毛发在碱性溶液中水解的特性除去电极中的短切动物毛发，在电极内部留下有序孔隙。
将氢氧化钾浸泡后的电极取出，用去离子水冲洗至电极呈中性。
至此，电极制备完成。
尽管上面对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三维有序孔隙电脱盐电极制作方法，其特征在于，以短切碳纤维作为电极的三维骨架构建电极，并在电极制备过程中，加入动物毛发随后脱除，在电极中构建出有序孔隙，具体步骤包括：
步骤1，将碳纤维和动物毛发短切并在水溶液中进行超声分散；
步骤2，将短切碳纤维和短切动物毛发利用过滤装置过滤，过滤后取出；
步骤3，烘干过滤后的短切碳纤维和短切动物毛发；
步骤4，将烘干后的短切碳纤维和短切动物毛发浸泡在电极浆液中；
步骤5，将浸泡后的电极烘干；
步骤6，将电极利用碱液浸泡，恒温水浴，去除电极中的短切动物毛发，在电极内部留下有序孔隙。
2.根据权利要求1所述的一种三维有序孔隙电脱盐电极制作方法，其特征在于，步骤1中，所述的碳纤维和动物毛发均短切至长度为2mm～5mm。
3.根据权利要求1所述的一种三维有序孔隙电脱盐电极制作方法，其特征在于，步骤3中，所述的烘干温度为50℃～90℃。
4.根据权利要求1所述的一种三维有序孔隙电脱盐电极制作方法，其特征在于，步骤4中，所述的电极浆液由活性炭、炭黑、偏聚氟乙烯，N-甲基吡咯烷酮混合制备得到。
5.根据权利要求4所述的一种三维有序孔隙电脱盐电极制作方法，其特征在于，所述活性炭、炭黑、偏聚氟乙烯，N-甲基吡咯烷酮按照8g:1g:1g:70ml的比例混合。
6.根据权利要求4所述的一种三维有序孔隙电脱盐电极制作方法，其特征在于，步骤5中，所述的将浸泡后的电极烘干，为烘干至将N-甲基吡咯烷酮完全蒸发。
7.根据权利要求6所述的一种三维有序孔隙电脱盐电极制作方法，其特征在于，步骤5中，所述的烘干温度为60℃～110℃。
8.根据权利要求1所述的一种三维有序孔隙电脱盐电极制作方法，其特征在于，步骤6中，所述的碱液为氢氧化钾溶液。
9.根据权利要求1所述的一种三维有序孔隙电脱盐电极制作方法，其特征在于，步骤6中，所述的恒温水浴所采用的温度为60℃～80℃。
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