一种用于海水淡化的复合炭材料及其制备方法与流程

本发明属于海水淡化领域，尤其涉及一种用于海水淡化的复合炭材料及其制备方法。

背景技术：

资料统计表明，地球上的水资源为1.4×1018m³，地球表面71％的面积被水覆。然而，这些水98％是存在于海洋、内陆海和地下盆地咸水，无法饮用，可饮用的淡水仅占全球总水量的2％左右。随着经济的发展和社会的进步，人们对水的需求量越来越大，而水资源的不足、时空分布不均匀、超限度的开采、无节制的浪费和污染使得淡水资源成为一个世界性的问题，许多国家也纷纷开始寻找新的水源。活性炭由于具有较高的比表面积，导电性能良好，有较高的电吸附能力，有作为去离子电容器电极的潜力。不幸的是，市场上的活性炭电容性能不能满足，限制了在电容器上的应用。因此，改进活性炭合成工艺成为推广活性炭用于电容去离子技术的有效手段。

技术实现要素：

发明目的：本发明的第一目的是提供一种比表面积大、空隙结构明显且具有高比电容量的用于海水淡化的复合炭材料；

本发明的第二目的是提供该复合炭材料的制备方法。

技术方案：本发明用于海水淡化的复合炭材料，由石墨烯和活性炭构成，其中，石墨烯填充于活性炭的表面。

本发明通过将石墨烯与活性炭相复配制备成复合炭材料，活性炭支撑石墨烯三维结构的同时，亦提高了活性炭导电性能，且材料表面的n,s,o官能团提高了离子选择性吸附能力。

本发明制备上述复合炭材料的方法，包括如下步骤：

(1)将生物质碳源洗涤、烘干后磨成粉，置于koh溶液中制得混合液；随后将该混合液在1～3mpa、100～120℃条件下加热2～3h制得固体，并将其洗涤、烘干，在氩气氛围下升温至800～1000℃保温2～3h，洗涤、烘干制得活性炭；

(2)将石墨、过硫酸钾及五氧化二磷按质量比1:0.5～1.5:0.5～1.5混合加热至85～95℃保温反应5～8h进行预氧化，随后将该预氧化后的石墨、浓硫酸及高锰酸钾混合加热至30～40℃保温反应3～5h制得氧化石墨烯，并将该氧化石墨烯与活性炭按质量比1:0.4～0.8在150～250w条件下超声反应2～4h制得半成品，最后将该半成品与谷胱甘肽按质量比1:0.4～0.8进行还原反应制得活性炭。

进一步说，步骤(1)中，采用的生物质碳源可为莲蓬、莲子荚或莲子杆。烘干是在70～80℃条件下烘干。升温至800～1000℃的升温速率为4～8℃/min。

更进一步说，步骤(2)中，预氧化后的石墨与浓硫酸的质量体积比为1:50～75，预氧化后的石墨与kmno4的质量比为1:3～4.5。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该复合炭材料比表面积大，孔隙结构清晰，能提供良好的离子传输通道，且制备过程简单，产品收率高，成本低廉，资源利用率高，能够后大规模生产；同时，该复合炭材料电容量高，应用于海水淡化的去离子电容器电极材料，能够改善去离子电容的性能，提高海水淡化效率。

附图说明

图1为本发明复合炭材料的结构示意图；

图2为本发明复合炭材料的透射电镜图；

图3为实施例1制备的复合炭材料的循环放电效率图；

图4为实施例1制备的活性炭的循环放电效率图；

图5为实施例1制备的还原氧化石墨烯的循环放电效率图；

图6为实施例2制备的复合炭材料的循环放电效率图；

图7为实施例2制备的活性炭的循环放电效率图；

图8为实施例2制备的还原氧化石墨烯的循环放电效率图；

图9为实施例3制备的复合炭材料的循环放电效率图；

图10为实施例3制备的活性炭的循环放电效率图；

图11为实施例3制备的还原氧化石墨烯的循环放电效率图；

图12为实例1至3的脱盐效率对比图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本发明采用的原料均可从市场上购买得到。

实施例1莲蓬作为生物质碳源

该实施例制备复合炭材料的方法包括如下步骤：

(1)将新鲜莲蓬扣去莲子，用自来水冲洗干净，再放入3000ml的烧杯中用去离子水浸泡后超声30min，放入鼓风干燥烘箱中70℃干燥16h，最后将干燥后的莲蓬用粉磨机打磨成细粉；

(2)称取4g莲蓬粉加入250ml的烧杯中，再称取6molkoh倒入装有100ml去离子水的250ml烧杯中，在超声下搅拌溶解制得混合液；

(3)将混合溶液倒入100ml的高压反应釜中，拧紧后放入鼓风干燥烘箱中，在1.5mpa、120℃条件下加热2h，待其降温后将其倒入两个50ml的离心管中以8000r/min的转数离心三分钟后，取固体，放入真空干燥箱中在70℃烘干12h；

(4)将烘干的材料，放入管式炉中，通入氮气，以4℃/min的速度升到800℃，恒温反应2h，待降温后取出；

(5)将烧好的材料放入两个50ml的离心管中，加入20ml稀盐酸溶液，用玻璃棒搅拌完全分散后，放入离心机中9000r/min的转速离心3min；然后用去离子水以同样的方法水洗离心4～5次，最后用ph试纸检验为中性后，放入烘箱中70℃烘干12h制得活性炭；

(6)将2g石墨、1g过硫酸钾和1g五氧化二磷混合置于三口烧瓶中，油浴加热到80℃恒温反应6h进行预氧化，并将该预氧化产物水洗至中性；

(7)将1g预氧化产物、50ml浓硫酸和3gkmno4混合，放入三口烧瓶加热至35℃保温反应3h制得氧化石墨烯，并将该氧化石墨烯水洗至中性；

(8)将0.5g氧化石墨烯与0.2活性炭混合，在150w条件下超声4h制得半成品；

(9)将0.5g半产品与2g谷胱甘肽混合水浴加热3h，制得复合材料。

该实施例制备的复合炭材料的结构如图1和图2所示，通过该图1和图2可知，石墨烯填充于活性炭的表面，且结构清晰，尺寸均一，能够较好的提供离子传输通道，增强材料导电性。

对比例1-1

该对比例制备活性炭的方法包括如下步骤：

(1)将新鲜莲蓬扣去莲子，用自来水冲洗干净，再放入3000ml的烧杯中用去离子水浸泡后超声30min，放入鼓风干燥烘箱中70℃干燥16h，最后将干燥后的莲蓬用粉磨机打磨成细粉；

(2)称取4g莲蓬粉加入250ml的烧杯中，再称取6molkoh倒入装有100ml去离子水的250ml烧杯中，在超声下搅拌溶解制得混合液；

(3)将混合溶液倒入100ml的高压反应釜中，拧紧后放入鼓风干燥烘箱中，在1～3mpa、120℃条件下加热2h，待其降温后将其倒入两个50ml的离心管中以8000r/min的转数离心三分钟后，取固体，放入真空干燥箱中在70℃烘干12h；

(4)将烘干的材料，放入管式炉中，通入氮气，以4℃/min的速度升到800℃，恒温反应2h，待降温后取出；

(5)将烧好的材料放入两个50ml的离心管中，加入20ml稀盐酸溶液，用玻璃棒搅拌完全分散后，放入离心机中9000r/min的转速离心3min；然后用去离子水以同样的方法水洗离心4～5次，最后用ph试纸检验为中性后，放入烘箱中70℃烘干12h制得活性炭。

对比例1-2

该对比例制备石墨烯的方法包括如下步骤：

(1)将2g石墨、1g过硫酸钾和1g五氧化二磷混合置于三口烧瓶中，油浴加热到80℃恒温反应6h进行预氧化，并将该预氧化产物水洗至中性；

(2)将1g预氧化产物、50ml浓硫酸和3gkmno4混合，放入三口烧瓶加热至35℃保温反应3h制得氧化石墨烯，并将该氧化石墨烯水洗至中性；

(3)将0.5g半产品与2g谷胱甘肽混合水浴加热3h，制得还原石墨烯。

将实施例1、对比例1-1及对比例1-2制备的产品进性能检测，获得的结果如图3至图5所示，通过该图3至图5可知，活性炭电容量为220f/g，还原氧化石墨烯的电容量为210f/g，复合物电容量为320f/g。说明复合材料中活性炭和氧化还原石墨烯产生了协同作用，材料比容量高于二者。

实施例2莲蓬杆作为生物质碳源

基本步骤与实施例1相同，不同之处在于：所用生物质碳源为莲蓬杆，活化温度为200℃，管式炉保温温度为500℃。

对比例2-1

基本步骤与对比例1-1相同，不同之处在于采用莲蓬杆作为生物质碳源。

对比例2-2

步骤与对比例1-2相同。

将实施例2、对比例2-1及对比例2-2制备的产品进性能检测，获得的结果如图6至图8所示，通过该图6至图8可知，活性炭电容量为210f/g，还原氧化石墨烯的电容量为260f/g，复合物电容量为330f/g。说明复合材料中活性炭和氧化还原石墨烯产生了协同作用，材料比容量高于二者。

实施例3莲子荚作为生物质碳源

基本步骤与实施例1相同，不同之处在于：所用碳源为莲子荚。

对比例3-1

基本步骤与对比例1-1相同，不同之处在于采用莲子荚作为生物质碳源。

对比例3-2

步骤与对比例1-2相同。

将实施例3、对比例3-1及对比例3-2制备的产品进性能检测，获得的结果如图9至图11所示，通过该图9至图11可知，活性炭电容量为240f/g，还原氧化石墨烯的电容量为210f/g，复合物电容量为340f/g。说明复合材料中活性炭和氧化还原石墨烯产生了协同作用，材料比容量高于二者。

同时，将实施例1、实施例2和实施例3制备的复合材料进行脱盐效率检测，获得的结果图12所示，通过该图可知：实例1脱盐效率为35mg/g，实例2脱盐效率为31mg/g，实例3脱盐效率为28mg/g皆高于其他市场上的电容去离子设备负极材料材料。

实施例4莲蓬作为生物质碳源

该实施例制备复合炭材料的方法包括如下步骤：

(1)将新鲜莲蓬扣去莲子，用自来水冲洗干净，再放入3000ml的烧杯中用去离子水浸泡后超声30min，放入鼓风干燥烘箱中70℃干燥16h，最后将干燥后的莲蓬用粉磨机打磨成细粉；

(2)称取4g莲蓬粉加入250ml的烧杯中，再称取6molkoh倒入装有100ml去离子水的250ml烧杯中，在超声下搅拌溶解制得混合液；

(3)将混合溶液倒入100ml的高压反应釜中，拧紧后放入鼓风干燥烘箱中，在2mpa、120℃加热2h，待其降温后将其倒入两个50ml的离心管中以8000r/min的转数离心三分钟后，取固体，放入真空干燥箱中70℃烘干12h；

(4)将烘干的材料，放入管式炉中，通入氮气，以8℃/min的速度升到1000℃，恒温反应2h，待降温后取出；

(5)将烧好的材料放入两个50ml的离心管中，加入20ml稀盐酸溶液，用玻璃棒搅拌完全分散后，放入离心机中9000r/min的转速离心3min；然后用去离子水以同样的方法水洗离心4～5次，最后用ph试纸检验为中性，放入烘箱中70℃烘干12h制得活性炭；

(6)将2g石墨、1.5g过硫酸钾和1.5g五氧化二磷混合置于三口烧瓶中，油浴加热到80℃恒温反应8h进行预氧化，并将该预氧化产物水洗至中性；

(7)将1g预氧化产物、75ml浓硫酸和4.5gkmno4混合，放入三口烧瓶加热至35℃保温反应6h制得氧化石墨烯，并将该氧化石墨烯水洗至中性；

(8)将0.5g氧化石墨烯与0.4活性炭混合，在150w条件下超声4h制得半成品；

(9)将0.5g半产品与0.4g谷胱甘肽混合水浴加热3h，制得复合材料。

实施例5莲子荚作为生物质碳源

该实施例制备复合炭材料的方法包括如下步骤：

(1)将新鲜莲蓬扣去莲子，用自来水冲洗干净，再放入3000ml的烧杯中用去离子水浸泡后超声30min，放入鼓风干燥烘箱中70℃干燥16h，最后将干燥后的莲蓬用粉磨机打磨成细粉；

(2)称取4g莲蓬粉加入250ml的烧杯中，再称取6molkoh倒入装有100ml去离子水的250ml烧杯中，在超声下搅拌溶解制得混合液；

(3)将混合溶液倒入100ml的高压反应釜中，拧紧后放入鼓风干燥烘箱中，在3mpa、1200℃加热3h，待其降温后将其倒入两个50ml的离心管中以8000r/min的转数离心三分钟后，取固体，放入真空干燥箱中80℃烘干12h；

(4)将烘干的材料，放入管式炉中，通入氮气，以6℃/min的速度升到900℃，恒温反应3h，待降温后取出；

(5)将烧好的材料放入两个50ml的离心管中，加入20ml稀盐酸溶液，用玻璃棒搅拌完全分散后，放入离心机中9000r/min的转速离心3min；然后用去离子水以同样的方法水洗离心4～5次，最后用ph试纸检验为中性，放入烘箱中80℃烘干12h制得活性炭；

(6)将2g石墨、3g过硫酸钾和3g五氧化二磷混合置于三口烧瓶中，油浴加热到95℃恒温反应5h进行预氧化，并将该预氧化产物水洗至中性；

(7)将1g预氧化产物、60ml浓硫酸和4gkmno4混合，放入三口烧瓶加热至40℃保温反应5h制得氧化石墨烯，并将该氧化石墨烯水洗至中性；

(8)将0.5g氧化石墨烯与0.3活性炭混合，在250w条件下超声2h制得半成品；

(9)将0.5g半产品与0.3g谷胱甘肽混合水浴加热3h，制得复合材料。