CN115571954A - 一种电容去离子吸附电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容去离子吸附电极及其制备方法，吸附电极包括电极片，电极片包括相对设置的正电极片和负电极片，正电极片和负电极片相对的表面之间构成溶液离子吸附通道，溶液离子吸附通道内设置有物理吸附器，溶液离子吸附通道一端为进液区，另一端为出液区，正电极片和负电极片相对的表面之间距离由进液区至出液区逐渐增大；本发明的电容去离子吸附电极及其制备方法，在正负电极片之间设置物理吸附器，增加对溶液中杂质的吸附能力，延长电极材料对离子的吸附能力和电极材料的使用寿命，同时通过由进液区至出液区逐渐增大正负电极片之间距离，降低溶液通过的压力，便于溶液快速的由正负电极片之间通过。

Description

一种电容去离子吸附电极及其制备方法
技术领域
本发明属于电吸附除盐领域，更具体的说涉及一种电容去离子吸附电极及其制备方法。
背景技术
吸附电极是电容去离子装置的核心部件，吸附电极的吸附能力直接影响电容去离子装置的吸附能力。电吸附技术的电极材料不仅要求导电性能良好 ,而且还要有较大的比表面积 ,能提供尽可能多的双电层。目前最常用的电极材料是炭材料，炭材料通电后，对溶液中的离子进行吸附，同时，炭材料还能够对溶液中的一些杂志进行吸附，实现炭材料的氧化和炭材料内孔隙的填充，本氧化过程很难再生，这样就严重影响电极材料的对离子的吸附能力，缩短电极材料的使用寿命，影响吸附电极的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电容去离子吸附电极及其制备方法，在正负电极片之间设置物理吸附器，增加对溶液中杂质的吸附能力，延长电极材料对离子的吸附能力和电极材料的使用寿命，同时通过由进液区至出液区逐渐增大正负电极片之间距离，降低溶液通过的压力，便于溶液快速的由正负电极片之间通过。
本发明技术方案一种电容去离子吸附电极，包括电极片，所述电极片包括相对设置的正电极片和负电极片，所述正电极片和所述负电极片相对的表面之间构成溶液离子吸附通道，所述溶液离子吸附通道内设置有物理吸附器，所述溶液离子吸附通道一端为进液区，另一端为出液区，所述正电极片和所述负电极片相对的表面之间距离由所述进液区至所述出液区逐渐增大。
优选地，所述正电极片和所述负电极片均包括电极基体、涂覆在所述电极基体表面上的电极材料和设置在所述电极材料远离所述电极基体侧的离子交换膜，所述离子交换膜上通过与电极片极性相异的离子。
优选地，所述物理吸附器为多孔材料吸附芯；所述多孔材料吸附芯厚度由所述进液区至所述出液区逐渐增大，并与所述溶液离子吸附通道相适应。
优选地，所述多孔材料吸附芯由活性炭制成。
优选地，所述电极材料由石墨与活性炭制成。
优选地，所述正电极片和负电极片呈层叠状交错设置有若干片，构成一柱状的吸附电极，所述进液区和所述出液区分别设置在吸附电极两端；所述电极基体的两表面均设置为倾斜表面，具有两倾斜表面的电极基体纵截面呈等腰梯形，所述电极基体厚度由所述进液区至所述出液区逐渐减小。
优选地，所述电极基体为导电片，电极基体的两表面均涂覆电极材料，电极基体两表面上的电极材料获得相同的极性，两电极材料外部的离子交换膜通过极性相同的离子，所述离子交换膜完全包覆电极基体。
一种电容去离子吸附电极的制备方法，用于制备前述的电容去离子吸附电极，包括制备电极片和制备物理吸附器，
具体包括：第一步，制备改性活性炭，常温下称取等质量的强碱和活性炭粉末，置于反应釜中，加入水进行充分混合并反应24-26h；然后过滤烘干，获得固体粉末；将固定粉末置于管式炉中，在氮气氛围下以5℃/min的速率升温至850℃，活化1h，然后自然冷却至室温；将活化后的固体粉末先后进行酸洗和去离子水洗，清洗至中性；最后置于烘箱中烘干，烘干后过200目筛，获得改性活性炭；
第二步，制备电极片，按照8:1:1的质量比取改性活性炭、炭黑和PVDF，置于磁力搅拌器中，并加入适量DMAC，搅拌混合10h直至完全混合，获得呈泥状的电极材料；将电极材料涂覆在电极基体的表面上，然后置于真空干燥箱中，在60-65℃条件下干燥10h，干燥后，再置于管式炉中，在氮气氛围下以5℃/min的速率升温至850℃，活化1h，然后自然冷却至室温；最后将离子交换膜包裹在电极基体和电极材料外部，并通过搭接和胶粘的方式对离子交换膜对接位置进行合拢，获得电极片；
第三步，制备物理吸附器，按照8:1的质量比取改性活性炭和PVDF，置于磁力搅拌器中，并加入适量DMAC，搅拌混合10h直至完全混合，获得泥状混合物；将泥状混合物置于模具中，模压成型，脱模后，置于真空干燥箱中，在60-65℃条件下干燥10h，再置于管式炉中，在氮气氛围下以5℃/min的速率升温至850℃，活化1h，然后自然冷却至室温，获得纵截面呈等腰梯形状的多孔材料吸附芯。
本发明技术方案一种电容去离子吸附电极的有益效果是：在正负电极片之间设置物理吸附器，增加对溶液中杂质的吸附能力，延长电极材料对离子的吸附能力和电极材料的使用寿命，同时通过由进液区至出液区逐渐增大正负电极片之间距离，降低溶液通过的压力，便于溶液快速的由正负电极片之间通过。
本发明技术方案一种电容去离子吸附电极的制备方法的有益效果是：通过对活性炭进行改性和活化，增加活性炭内的孔径数量，增大活性炭内孔径尺寸，改善活性炭的吸附能力，通过在电极材料涂覆在电极基体上后，再次对电极材料进行活化，使得制备电极材料中使用到的PVDF被炭化，避免PVDF堵塞活性炭孔洞，确保电极材料对离子的吸附能力，确保多孔材料吸附芯的物理吸附器的吸附能力。
附图说明
图1为本发明技术方案的一种电容去离子吸附电极的结构示意图。
图2为本技术方案的一种电容去离子吸附电极的另一实施例结构示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合具体实施例和说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。
如图1所示，本发明技术方案一种电容去离子吸附电极，包括电极片，电极片包括相对设置的正电极片100和负电极片200，正电极片100和负电极片200相对的表面之间构成溶液离子吸附通道6，溶液离子吸附通道6内设置有物理吸附器5。溶液离子吸附通道6一端为进液区8，另一端为出液区9。正电极片100和负电极片200相对的表面之间距离由进液区8至出液区9逐渐增大。
基于上述技术方案，通过在正电极片100和负电极片200之间增设物理吸附器5，通过物理吸附器5吸附溶液中的杂质等，减少溶液中杂质进入正电极片100和负电极片200上电极材料而被电极材料吸附，确保了正电极片100和负电极片200上电极材料对溶液中离子的吸附能力，延长正电极片100和负电极片200上电极材料的活性和使用寿命。
基于上述技术方案，若正电极片100和负电极片200之间的距离不变，则溶液将基本匀速的通过溶液离子吸附通道内，但是由于在溶液离子吸附通道内增设了物理吸附器，这样就对通过其间的溶液造成了一定的影响和阻碍，所以，本技术中将溶液离子吸附通道设置为由进液区8至出液区9逐渐增大，即正电极片100和负电极片200相对的表面之间距离由进液区8至出液区9逐渐增大，这样就便于溶液进入溶液离子吸附通道内后，能够快速的通过溶液离子吸附通道，且不需要在进液区8位置施加较大的压力，即可以适当的降低溶液压力，对相关的设备要求降低。
本技术方案中，如图1所示，正电极片100和负电极片200均包括电极基体1、涂覆在电极基体1表面上的电极材料2和设置在电极材料2远离电极基体1侧的离子交换膜3。离子交换膜3上通过与电极片极性相异的离子，即在正电极片100外部设置阴离子交换膜，在负电极片200外部设置阳离子交换膜。通过设置阴阳离子交换膜3，阻隔与电极片极性相同的离子通过，延长电极材料的活性。
本技术方案中，如图1所示，物理吸附器5为多孔材料吸附芯。多孔材料吸附芯厚度由进液区8至出液区9逐渐增大，并与溶液离子吸附通道6相适应。多孔材料吸附芯一方面实现对溶液离子吸附通道6内通过的溶液中的杂质进行吸附，同时也作为支撑件，实现对分布在其两侧的正电极片100和负电极片200进行支撑和安装，确保正电极片100和负电极片200的相对位置。
本技术方案中，如图1所示，多孔材料吸附芯由活性炭制成，具有丰富的吸附空洞，确保了良好的吸附能力。
本技术方案中，如图1所示，电极材料由石墨与活性炭制成，材料成本低，具有良好的导电性能。
本技术方案中，基于上述图1中电容去离子吸附电极的结构和原理，提出电容去离子吸附电极的另一实施例，其结构如图2所示。如图2所示的电容去离子吸附电极在图1的基础上增加了正电极片和负电极片数量。
如图2中，电容去离子吸附电极中，正电极片和负电极片呈层叠状交错设置有若干片，构成一柱状的吸附电极10，进液区8和出液区9分别设置在吸附电极10两端。电极基体1的两表面均设置为倾斜表面17，具有两倾斜表面17的电极基体1纵截面呈等腰梯形。电极基体1厚度由进液区8至出液区9逐渐减小。相邻正电极和负电极之间的溶液离子吸附通道6呈纵截面呈等腰梯形状，置于溶液离子吸附通道6内的物理吸附器5为多孔材料吸附芯，多孔材料吸附芯纵截面呈等腰梯形，厚度由进液区8至出液区9逐渐增大。多孔材料吸附芯实现对其两侧的正电极片和负电极片的安装和固定，保持正电极片和负电极片的相对位置。电极基体1为导电片，电极基体1的两表面均涂覆电极材料2，一电极基体两表面上的电极材料获得相同的极性。两电极材料外部的离子交换膜3通过极性相同的离子，离子交换膜3完全包覆电极基体。一电极基体两表面上的电极材料均由本电极基本上获得电压，一电极基本上进接正电压或负电压，便于接电，同时，电极基体两侧的电极材料获得相同的极性，使得一电极基体外部仅仅需要一种离子交换膜，在包裹离子交换膜时，可以通过一整张膜包裹在电极基体和电极材料外部，在离子交换膜的端部通过搭接粘合的方式进行粘合，这样就避免了离子交换膜上出现缝隙等问题，避免极性相同的离子通过离子交换膜而进入到电极材料上，延长电极材料的活性。
本技术方案中，一种电容去离子吸附电极的制备方法，用于制备前述的电容去离子吸附电极，包括制备电极片和制备物理吸附器。
具体包括：第一步，制备改性活性炭，常温下称取等质量的强碱和活性炭粉末，置于反应釜中，加入水进行充分混合并反应24-26h。然后过滤烘干，获得固体粉末；将固定粉末置于管式炉中，在氮气氛围下以5℃/min的速率升温至850℃，活化1h，然后自然冷却至室温。将活化后的固体粉末先后进行酸洗和去离子水洗，清洗至中性。最后置于烘箱中烘干，烘干后过200目筛，获得改性活性炭。通过利用氢氧化钠、氢氧化钾等强碱对活性炭进行改性，强碱与活性炭发生化学反应，使得活性炭内炭炭键伸缩，炭氧键断裂，化学键进行重组，增加活性炭的吸附点位，简单的说即经过活化后的活性炭内中孔（2.25nm—4.5nm孔径）数量增加，即增加了活性炭的吸附能力，即改善了由本活性炭为原料制备的电极材料和物理吸附器的吸附能力。
第二步，制备电极片，按照8:1:1的质量比取改性活性炭、炭黑和PVDF（聚偏二氟乙烯），置于磁力搅拌器中，并加入适量DMAC（二甲基乙酰胺），搅拌混合10h直至完全混合，获得呈泥状的电极材料。将电极材料涂覆在电极基体的表面上，然后置于真空干燥箱中，在60-65℃条件下干燥10h。干燥后，再置于管式炉中，在氮气氛围下以5℃/min的速率升温至850℃，活化1h。然后自然冷却至室温。最后将离子交换膜包裹在电极基体和电极材料外部，并通过搭接和胶粘的方式对离子交换膜对接位置进行合拢，获得电极片。电极基体材质可以为石墨，也可以为导电金属。将电极材料涂覆后在电极基体后在进行高温活化，使得电极材料中的PVDF炭化，避免PVDF填充在活性炭的空洞内，影响电极材料的吸附能力，确保了电极材料对离子的吸附能力。
第三步，制备物理吸附器，按照8:1的质量比取改性活性炭和PVDF（聚偏二氟乙烯），置于磁力搅拌器中，并加入适量DMAC（二甲基乙酰胺，为无色透明液体），搅拌混合10h直至完全混合，获得泥状混合物；将泥状混合物置于模具中，模压成型，脱模后，置于真空干燥箱中，在60-65℃条件下干燥10h，再置于管式炉中，在氮气氛围下以5℃/min的速率升温至850℃，活化1h，然后自然冷却至室温，获得纵截面呈等腰梯形状的多孔材料吸附芯。同样的，通过高温活化，使得PVDF被炭化，避免PVDF填充在活性炭的空洞内，影响活性炭制备的多孔材料吸附芯的吸附能力。
本发明技术方案在上面结合实施例及附图对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电容去离子吸附电极，包括电极片，所述电极片包括相对设置的正电极片和负电极片，其特征在于，所述正电极片和所述负电极片相对的表面之间构成溶液离子吸附通道，所述溶液离子吸附通道内设置有物理吸附器，所述溶液离子吸附通道一端为进液区，另一端为出液区，所述正电极片和所述负电极片相对的表面之间距离由所述进液区至所述出液区逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的电容去离子吸附电极，其特征在于，所述正电极片和所述负电极片均包括电极基体、涂覆在所述电极基体表面上的电极材料和设置在所述电极材料远离所述电极基体侧的离子交换膜，所述离子交换膜上通过与电极片极性相异的离子。
3.根据权利要求2所述的电容去离子吸附电极，其特征在于，所述物理吸附器为多孔材料吸附芯；所述多孔材料吸附芯厚度由所述进液区至所述出液区逐渐增大，并与所述溶液离子吸附通道相适应。
4.根据权利要求3所述的电容去离子吸附电极，其特征在于，所述多孔材料吸附芯由活性炭制成。
5.根据权利要求2所述的电容去离子吸附电极，其特征在于，所述电极材料由石墨与活性炭制成。
6.根据权利要求2所述的电容去离子吸附电极，其特征在于，所述正电极片和负电极片呈层叠状交错设置有若干片，构成一柱状的吸附电极，所述进液区和所述出液区分别设置在吸附电极两端；所述电极基体的两表面均设置为倾斜表面，具有两倾斜表面的电极基体纵截面呈等腰梯形，所述电极基体厚度由所述进液区至所述出液区逐渐减小。
7.根据权利要求6所述的电容去离子吸附电极，其特征在于，所述电极基体为导电片，电极基体的两表面均涂覆电极材料，电极基体两表面上的电极材料获得相同的极性，两电极材料外部的离子交换膜通过极性相同的离子，所述离子交换膜完全包覆电极基体。
8.一种电容去离子吸附电极的制备方法，用于制备权利要求1至7任一所述的电容去离子吸附电极，其特征在于，包括制备电极片和制备物理吸附器，
具体包括：第一步，制备改性活性炭，常温下称取等质量的强碱和活性炭粉末，置于反应釜中，加入水进行充分混合并反应24-26h；然后过滤烘干，获得固体粉末；将固定粉末置于管式炉中，在氮气氛围下以5℃/min的速率升温至850℃，活化1h，然后自然冷却至室温；将活化后的固体粉末先后进行酸洗和去离子水洗，清洗至中性；最后置于烘箱中烘干，烘干后过200目筛，获得改性活性炭；
第二步，制备电极片，按照8:1:1的质量比取改性活性炭、炭黑和PVDF，置于磁力搅拌器中，并加入适量DMAC，搅拌混合10h直至完全混合，获得呈泥状的电极材料；将电极材料涂覆在电极基体的表面上，然后置于真空干燥箱中，在60-65℃条件下干燥10h，干燥后，再置于管式炉中，在氮气氛围下以5℃/min的速率升温至850℃，活化1h，然后自然冷却至室温；最后将离子交换膜包裹在电极基体和电极材料外部，并通过搭接和胶粘的方式对离子交换膜对接位置进行合拢，获得电极片；
第三步，制备物理吸附器，按照8:1的质量比取改性活性炭和PVDF，置于磁力搅拌器中，并加入适量DMAC，搅拌混合10h直至完全混合，获得泥状混合物；将泥状混合物置于模具中，模压成型，脱模后，置于真空干燥箱中，在60-65℃条件下干燥10h，再置于管式炉中，在氮气氛围下以5℃/min的速率升温至850℃，活化1h，然后自然冷却至室温，获得纵截面呈等腰梯形状的多孔材料吸附芯。
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