CN1463927A - 一种利用纳米碳管制造电极的电容式海水淡化处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用纳米碳管制造电极的电容式海水淡化处理方法，实现低能耗淡化海水的目的。该方法以纳米碳管或以纳米碳管和其它碳材料如碳纤维、活性炭和炭黑复合制成电极，由两个或多个该电极组成电化学结构体。在外接电源的情况下，当海水通过该结构体时，水中可溶性盐的离子向电荷相反的电极移动并吸附在电极上，从而达到去除水中可溶性盐的目的。该方法可用于海水淡化或其它含盐水中可溶性盐的脱除。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用纳米技术淡化海水及其它含盐水的方法，尤其涉及利用纳米碳管制造电极的液流穿透电容技术(FTC)，实现低能耗淡化海水的方法。
背景技术
目前，世界上最大的资源危机是水资源危机，全球有100多个国家缺水，严重缺水的国家近30个，我国是淡水资源较为贫乏的国家，世界人均淡水总量约12000m3，而我国淡水资源总量虽有2.8×1012m3，但人均水资源量只有约2300m3，人均淡水资源占有量仅为世界人均占有量的1/4，位居世界各国排名的第88位。据预测，我国从21世纪开始已全面进入水资源危机阶段，解决这一问题的出路之一是充分利用各种水资源，包括海水、咸水和苦水等。40多年来，科技进步虽使海水淡化的能耗大幅度降低，但能耗依然是直接决定海水淡化成本的最关键因素之一。因此，利用高新技术的飞速发展的机遇，开发低能耗海水淡化技术显得非常迫切。
如今已有各种方法用来淡化海水，如蒸馏法、电渗析法和反渗透法等，有的已采用纳米技术。在有关海水淡化采用纳米技术的专利申请中，US6190556、CN9510977、GB2347877在电渗析及反渗透装置中采用纳米膜。如陈锦钢，俞国翔等人(CN95109777)发明了一种新型可利用纳米过滤膜的反渗透过滤装置。该装置中有进水管、旁通管、分流导板、并列的过滤管和冲管等，特别适合用于纳米膜进行海水淡化，可自动操作，连续进行，简单、可靠，发明的蝶形夹套嵌装膜能承受较大的压力和有较长的使用寿命。
在CN1319566中，朱广山、裘式纶等人发明了利用纳米孔材料离子交换淡化海水、咸水、苦水的方法，他们以纳米孔材料为基质与Ag离子进行交换，然后利用Ag离子交换的纳米孔材料淡化海水、咸水或苦水，其方法方便快捷，淡化水若干分钟后即可饮用。在CN91106247中，夏冰、董声华等人发明了一种磺化聚芳醚砜毫微滤膜的制备方法，该方法是采用带有酚酞基侧链的聚芳醚砜为原料采用浓硫酸直接制得磺化聚芳醚砜，可加入少量无机盐或有机添加剂后溶解于溶剂中配制成铸膜液，再利用相转化法成膜，制作简单，磺化条件缓和，易成膜。该滤膜在较低压力下可用于浓缩，分离分子量1000以下的天然有机物或在淡化苦咸水等多方面。上述专利中涉及的纳米技术主要基于传统的海水淡化技术，未从根本上解决淡化过程能耗较高的不足，且不能根据应用领域需要调节淡化水中可溶性盐的浓度，难以真正实现工业化。
CN1272456、CN1272462利用电容器原理进行海水淡化，但其中既没涉及纳米碳管，也没涉及液流穿透电容技术(FTC)。因而无法利用纳米碳管优异特性来降低淡化过程的能耗，提高海水淡化的效率。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种工艺简单、能耗极低的利用纳米碳管制造电极的电容式海水淡化处理方法，该方法可大大降低海水淡化成本。
本发明的目的可以通过以下的技术方案实现：一种利用纳米碳管制造电极的电容式海水淡化处理方法，其特征在于，以纳米碳管或以纳米碳管和其它碳材料复合制造电极，将该电极进行组合，形成液流穿透电容，通过该电容使海水得到淡化处理；具体处理工艺如下：电极以双电极或多电极方式组合，形成一个或多个液流穿透电容，在通电条件下，当海水流过该电容时，水中可溶性盐的离子向电荷相反的电极移动并吸附在电极上，当可溶性盐在电极上达到饱和吸附时，以再生方式使电极上可溶性盐脱除，再生后电极可重新投入使用，该方法可用于海水淡化或其它含盐水中可溶性盐的脱除。
所述的电极制造方法如下：将纳米碳管或纳米碳管和其它碳材料复合，与胶粘剂混合，采用热压工艺制成电极；所述的热压工艺中热压温度为100～400℃，最佳为200～300℃，压力为0.1～10MPa，最佳为3～5MPa。
所述的纳米碳管是单壁纳米碳管或多壁纳米碳管；纳米碳管长度为50～300nm，最佳为100～200nm，轴径为5～50nm，最佳为10～30nm。
所述的纳米碳管可经过强氧化性酸如硝酸、硫酸的蒸馏处理或采用高速球磨打断碳纳米管，使被打断的碳纳米管每一小段的内腔贯通且对外开放，通过这样的措施，可以进一步提高碳纳米管电极的比表面积。
所述的其他碳材料可以是碳纤维、活性炭或碳黑，电极中纳米碳管与其它碳材料混合比例为100∶0～0.5∶95.5(重量百分比)，最佳比例为80∶20～20∶80(重量百分比)。
所述的胶粘剂为热固性胶粘剂，包括酚醛树脂、环氧树脂。
所述的电极组合方式可以是两个电极形成一个简单的电化学结构体，也可以由多个电极串联，组成正负极交叉的结构体，电极可被组装为平板架型或卷曲型。
所述的电极之间可设置分隔器和离子交换膜。
所述的通电电压为0.1～4.0V，最佳为1.5～3.0V。
所述的电极再生方法为可将电极短路或接反向电压，此时电极上可溶性盐将自行脱落。
当浓度为1000～20000ppm海水或其它含盐水以0.2～1000m3/h流速通过该电化学结构体时，水中可溶性盐的离子向电荷相反的电极移动并吸附在电极上，以去除中可溶性盐，进而达到淡化淡化的目的。整个过程的操作温度为5～65℃。当可溶性盐在电极上的吸附达到饱和时，将电极短路或接反向电压，可使电极上可溶性盐自行脱落，电极可重新投入使用。
本发明是利用纳米碳管或由纳米碳管与其它碳材料复合制备电极，其工作时，即当电极插入电解质溶液时，电极表面的净电荷将从溶液中吸引部分不规则分配的离子，使它们在电极/溶液界面的溶液一侧离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层。这样充电界面由两个电荷层组成，一层在电极上，另一层在溶液中，因此称为双电层。由于界面上存在一个位垒，两层电荷都不能越过边界彼此中和，如同一个平板电容器，因而存在电容量。双电层电容的大小与电极电位和比表面积的大小有关，因而可以通过提高电极电位和增大电极比表面积来提高双电层电容量。由于受溶液中水的分解电压限制，主要通过加大电极比表面积来增加电容量。
由于纳米碳管独有的大比表面积及优异的导电性和适中的孔径，可以在更低的电压下对海水中的离子进行吸附分离，从而达到淡化海水的目的。纳米碳管作为双电层电容的电极材料可大幅度地提高容量，延长使用寿命，且工作温度范围宽、稳定性好。纳米碳管电极的孔结构主要由相互缠绕的管间表面空隙形成，纳米碳管间空隙是相互连通的，因此也就决定了其独特孔结构。与其它碳材料相比，这种结构中不存在所谓的“死孔”，所有的孔都是对外开放的，使离子的吸附和脱附变得十分容易。
因此，以纳米碳管制造电极的液流穿透电容海水淡化方法，运用双电层电容器原理，可提高电极容盐量，过程耗能极低，且再生非常方便。另外，纳米碳管电极耐腐蚀性好，抗菌性强。整个淡化装置管理、操作简便。在淡化过程中还存在可再利用能源，可作为淡化过程中其它工序的动力，综合效益十分明显。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
实施例1
将长度为50～100nm，轴径为10～20nm的多壁纳米碳管与活性炭(比表面积为300～400m2/g)以20∶80(重量百分比)混合，加入酚醛树脂胶粘剂，经200℃、3MPa热压制成电极。将两个电极串联组成平板架型正负极交叉的结构体。当浓度为2000ppm盐水以0.2m3/h流速通过该结构体时，在电极两端施加1.0V电压，出水中盐水浓度约为450ppm，除盐率为77.5％。
实施例2
将长度为50～100nm，轴径为10～20nm的多壁纳米碳管与活性炭(比表面积为300～400m2/g)以20∶80(重量百分比)混合，加入酚醛树脂胶粘剂，经200℃、3MPa热压制成电极。将六个电极串联组成平板架型正负极交叉的结构体。当浓度为2000ppm盐水以0.2m3/h流速通过该结构体时，在电极两端施加1.0V电压，出水中盐水浓度约为215ppm，除盐率为89.3％。
实施例3
将活性炭(比表面积为300～400m2/g)与酚醛树脂胶粘剂混合，经200℃、3MPa热压制成电极。将两个电极串联组成平板架型正负极交叉的结构体。当浓度为2000ppm盐水以0.2m3/h流速通过该结构体时，在电极两端施加1.0V电压，出水中盐水浓度约为1360ppm，除盐率为32％。
实施例4
一种利用纳米碳管制造电极的电容式海水淡化处理方法，以长度为150nm，轴径为20nm的多壁纳米碳管为原料，将纳米碳管与碳纤维以60∶40(重量百分比)混合，加入酚醛树脂胶粘剂，经250℃、4MPa热压制成电极。将多个电极串联组成正负极交叉的结构体，其中电极可被组装为平板架型，电极之间可设置分隔器和离子交换膜。当浓度为1000～20000ppm海水或其它含盐水以0.2～1000m3/h流速通过该电化学结构体时，在电极两端施加2V电压，水中可溶性盐的离子向电荷相反的电极移动并吸附在电极上，以去除中可溶性盐，进而达到淡化海水的目的。整个过程的操作温度为5～65℃。当可溶性盐在电极上的吸附达到饱和时，将电极短路或接反向电压，可使电极上可溶性盐自行脱落，电极可重新投入使用。
实施例5
一种利用纳米碳管制造电极的电容式海水淡化处理方法，以长度为50nm，轴径为5nm的单壁纳米碳管为原料，将纳米碳管与活性炭以20∶80(重量百分比)混合，加入环氧树脂胶粘剂，经100℃、0.1MPa热压制成电极。将六个电极串联组成卷曲型正负极交叉的结构体。当浓度为1000～20000ppm海水或其它含盐水以0.2～1000m3/h流速通过该电化学结构体时，在电极两端施加0.1V电压，水中可溶性盐的离子向电荷相反的电极移动并吸附在电极上，以去除中可溶性盐，进而达到淡化海水的目的。整个过程的操作温度为5～65℃。当可溶性盐在电极上的吸附达到饱和时，将电极短路或接反向电压，可使电极上可溶性盐自行脱落，电极可重新投入使用。
实施例6
一种利用纳米碳管制造电极的电容式海水淡化处理方法，以长度为300nm，轴径为50nm的多壁纳米碳管为原料，将纯纳米碳管与酚醛树脂胶粘剂混合，经400℃、10MPa热压制成电极。将八个电极串联组成正负极交叉的结构体，其中电极可被组装为平板架型，电极之间可设置分隔器和离子交换膜。当浓度为1000～20000ppm海水或其它含盐水以0.2～1000m3/h流速通过该电化学结构体时，在电极两端施加4V电压，水中可溶性盐的离子向电荷相反的电极移动并吸附在电极上，以去除中可溶性盐，进而达到淡化海水的目的。整个过程的操作温度为5～65℃。当可溶性盐在电极上的吸附达到饱和时，将电极短路或接反向电压，可使电极上可溶性盐自行脱落，电极可重新投入使用。
Claims (10)
1.一种利用纳米碳管制造电极的电容式海水淡化处理方法，其特征在于，以纳米碳管或以纳米碳管和其它碳材料复合制造电极，将该电极进行组合，形成液流穿透电容，通过该电容使海水得到淡化处理；具体处理工艺如下：电极以双电极或多电极方式组合，形成一个或多个液流穿透电容，在通电条件下，当海水流过该电容时，水中可溶性盐的离子向电荷相反的电极移动并吸附在电极上，当可溶性盐在电极上达到饱和吸附时，以再生方式使电极上可溶性盐脱除，再生后电极可重新投入使用，该方法可用于海水淡化或其它含盐水中可溶性盐的脱除。
2.如权利要求1所述的利用纳米碳管制造电极的电容式海水淡化处理方法，其特征在于，所述的电极制造方法如下：将纳米碳管或纳米碳管和其它碳材料复合，与胶粘剂混合，采用热压工艺制成电极；所述的热压工艺中热压温度为100～400℃，最佳为200～300℃，压力为0.1～10MPa，最佳为3～5MPa。
3.如权利要求1所述的利用纳米碳管制造电极的电容式海水淡化处理方法，其特征在于，所述的纳米碳管是单壁纳米碳管或多壁纳米碳管；纳米碳管长度为50～300nm，最佳为100～200nm，轴径为5～50nm，最佳为10～30nm。
4.如权利要求1所述的利用纳米碳管制造电极的电容式海水淡化处理方法，其特征在于，所述的纳米碳管可经过强氧化性酸如硝酸、硫酸的蒸馏处理或采用高速球磨打断碳纳米管。
5.如权利要求1所述的利用纳米碳管制造电极的电容式海水淡化处理方法，其特征在于，所述的其他碳材料可以是碳纤维、活性炭或碳黑，电极中纳米碳管与其它碳材料混合比例为100∶0～0.5∶95.5(重量百分比)，最佳比例为80∶20～20∶80(重量百分比)。
6.如权利要求2所述的利用纳米碳管制造电极的电容式海水淡化处理方法，其特征在于，所述的胶粘剂为热固性胶粘剂，包括酚醛树脂、环氧树脂。
7.如权利要求1所述的利用纳米碳管制造电极的电容式海水淡化处理方法，其特征在于，所述的电极组合方式可以是两个电极形成一个简单的电化学结构体，也可以由多个电极串联，组成正负极交叉的结构体，电极可被组装为平板架型或卷曲型。
8.如权利要求1或7所述的利用纳米碳管制造电极的电容式海水淡化处理方法，其特征在于，所述的电极之间可设置分隔器和离子交换膜。
9.如权利要求1所述的利用纳米碳管制造电极的电容式海水淡化处理方法，其特征在于，所述的通电电压为0.1～4.0V，最佳为1.5～3.0V。
10.如权利要求1所述的利用纳米碳管制造电极的电容式海水淡化处理方法，其特征在于，所述的电极再生方法为可将电极短路或接反向电压，此时电极上可溶性盐将自行脱落。
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