一种多孔石墨烯材料在电容去离子中的研究的制作方法

本发明涉及海水除盐技术领域，具体涉及一种电容去离子材料的制备方法，及其制成的除盐、净水模块。

背景技术：

淡水资源是人类生存和发展不可或缺的一部分，人类的生命活动、社会活动以及工业生产都离不开淡水。地球表面70％被海水覆盖，可以说水资源非常丰富，但是可被人类利用的淡水资源仅占0.27％。所以，如何将海水转化为可被人类利用的淡水，是个非常重要的议题。传统海水淡化技术，可分为涉及水的相态变化(热法)和不涉及水的相态变化(膜法)两大类，热法和膜法是目前世界上较为普遍采用的两种类型的海水淡化工艺，都有相应的大型工业化应用案例。但是传统技术下的海水淡化技术都普遍存在成本高，能耗显著，产水率低等方面的缺陷。二十世纪九十年代以来，学界开始发展电容去离子技术，这是一种新型的水处理技术，具有运行能耗低、水利用率高、无二次污染，操作、维护简便等优点。

但目前电容去离子技术普遍采用活性炭或者科琴炭黑作为电极材料，这种材料的主要问题是材料对水的浸润性差以及除盐效率低。鉴于此，本人发明了具有亲水性的多孔石墨烯材料。通过硬模板法制备多孔石墨烯电极，具有丰富联通孔道，亲水性良好，通过电容去离子测试表明，该材料比传统科琴炭黑基电极材料对水的浸润性更好，除盐效率更高。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种多孔石墨烯材料在电容去离子方面的研究，其组分包括聚苯乙烯、甲基丙烯酸、引发剂、氧化石墨烯和硫脲。本发明的制备方法，步骤如下：

(1)将10ml苯乙烯和1ml甲基丙烯酸依次加入250ml的三颈烧瓶中，然后加入90ml蒸馏水，中速搅拌混匀后，再加入0.1g十二烷基硫酸钠，氮气保护下升温至70℃，中速搅拌至均匀，通常时间要大于30min。再加入0.05g过硫酸钾，中速搅拌，反应24h。冷却至室温，得到硬模板1。

(2)将50mg的氧化石墨烯，加入47.5ml水，用超声仪分散2h，得到棕黄色溶液。加入2.5ml硬模板1，搅拌混匀，滴加几滴氨水，缓慢搅拌2h。然后加入0.1g硫脲，继续缓慢搅拌1h。得到混溶液1。

(3)将混溶液1放入反应釜中，在160℃下水热5h。用大量的水抽滤洗净，冻干72h。得到黑色蓬松的固体1。

(4)将固体1放入管式炉中，在惰性气体氛围下，以2℃/min的速率升温至800℃，在此温度下保持2h，随后以2℃/min的速度降温至室温，得到黑色的固体2。

(5)将0.4g固体2与0.05g导电炭黑、0.05gptfe溶解在30ml去离子水中，超声分散混匀。得到混溶液2。

(6)将水浴锅恒温在80℃，裁好的石墨纸固定在水浴锅正上方，将混溶液2分批滴到石墨纸上，用玻璃棒滚涂的办法分散均匀，溶剂蒸干后继续滴加滚涂，直到混溶液2滴加完毕。留作电极片备用。

步骤(1)中所述中速搅拌的速率为400r/min。

步骤(2)中所述缓慢搅拌的速率为200r/min。

步骤(2)中所述滴加氨水的量控制在3-4滴。

步骤(3)中所述反应釜容积为60ml。

步骤(4)中所述惰性气体为高纯氮气。

步骤(5)中所述超声分散混匀的时间为30min。

步骤(6)中所述电极片要烘干后称重。

有益效果：

1.本发明采用硬模板法制备多孔石墨烯碳材料。该方法使得该碳材料中孔道联通、有较高的比表面积，可以更多的吸附水合离子，提高吸附量。同时由于孔道联通，使得材料可以更好的和水浸润。相比传统科琴炭黑，具有更高的吸附量和除盐效率。

附图说明

图1为实例1中制备的羧基修饰的聚苯乙烯微球的扫描电镜图。

图2为实例1中制备的多孔石墨烯材料的扫描电镜图。

图3为实例1、2中自制的电容去离子装置(即海水除盐模块)的原理简图。

图4为实例1、2中制备的电极材料在25℃恒温条件下的吸附-脱附曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但不限于此。

实施例1

(1)将10ml苯乙烯和1ml甲基丙烯酸依次加入250ml的三颈烧瓶中，然后加入90ml蒸馏水，中速搅拌混匀后，再加入0.1g十二烷基硫酸钠，氮气保护下升温至70℃，中速搅拌至均匀，通常时间要大于30min。再加入0.05g过硫酸钾，400r/min搅拌，反应24h。冷却至室温，得到乳白色混合溶液，其为羧基修饰的聚苯乙烯微球。

(2)将50mg的氧化石墨烯，加入47.5ml水，用超声仪分散2h，得到棕黄色溶液。加入2.5ml上述混合溶液，搅拌混匀，滴加3-4滴氨水，200r/min搅拌2h。然后加入0.1g硫脲，继续200r/min搅拌1h。

(3)将上述溶液放入60ml反应釜中，在160℃下水热5h。用大量的水抽滤洗净，冻干72h。得到黑色蓬松的固体。

(4)将上述蓬松固体放入管式炉中，在高纯氮气气体氛围下，以2℃/min的速率升温至800℃，在此温度下保持2h，随后以2℃/min的速度降温至室温，得到黑色的固体，其为多孔石墨烯材料。

(5)将0.4g上述黑色固体与0.05g导电炭黑、0.05gptfe溶解在30ml去离子水中，超声分散混匀，时间为30min。

(6)将水浴锅恒温在80℃，裁好的石墨纸固定在水浴锅正上方，将上述溶液分批滴到石墨纸上，用玻璃棒滚涂的办法分散均匀，溶剂蒸干后继续滴加滚涂，直到滴加完毕。电极片用真空干燥箱烘干后，留作备用。

实施例2

(1)将科琴炭黑烘干，留作备用。

(2)取0.4g科琴炭黑与0.05g导电炭黑、0.05gptfe溶解在30ml去离子水中，超声分散混匀，时间为30min。

(3)将水浴锅恒温在80℃，裁好的石墨纸固定在水浴锅正上方，将上述溶液分批滴到石墨纸上，用玻璃棒滚涂的办法分散均匀，溶剂蒸干后继续滴加滚涂，直到滴加完毕。电极片用真空干燥箱烘干后，留作备用。

电容去离子装置的组装

电容去离子装置(即海水除盐模块)为自制，原理参考附图3。将制备的电极片裁成大小一致的两片，称重。然后插入自制模块中，向模块中注入20ml、500mg/l的氯化钠溶液，启动蠕动泵。

性能测试

将电导率仪的电极夹分别夹在两片电极上，电极间加1.0v电压，每隔1min记录一次数据。30分钟后，停止加电压，每隔2min记录一次数据。上述电容去离子装置的吸附-脱附曲线如附图4。

技术特征：

技术总结
本发明提供了一种石墨烯基电极材料在电容去离子中的研究。本发明采用硬模板法制备孔道互相联通的多孔石墨烯基电极材料，该材料具有明显的孔道结构和亲水性，然后利用自创的滴加涂敷法将材料涂敷在电容去离子所需电极上，再进行电容去离子特性表征。本文发明的电极材料具有孔道丰富且互相连通特性，而且非常亲水，在电容去离子特性表征中展现出了优秀的性能。

技术研发人员：杨文;刘锦平
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2017.06.09
技术公布日：2017.09.22