一种用泥炭藓衍生的生物质碳电极除盐的方法与流程

本发明属于海水淡化领域，具体是一种用泥炭藓衍生的生物质碳电极除盐的方法。

背景技术：

水资源短缺目前已经成为世界上亟待解决的问题之一，海水淡化是一种有效的途径去缓解这一问题。与传统的蒸馏、反渗透、电渗析等除盐技术相比，电容去离子(cdi)技术以其成本低、能源消耗少、环境友好等特点近年来被广泛关注。cdi的工作原理基于双电层理论，在充电过程中，盐水中的阴离子和阳离子分别吸附在正极和负极上；在放电过程中，被吸附的盐离子脱附回到盐溶液中。

通常，cdi的性能与电极材料的物理和结构性能密切相关。理想的电极材料应该具有较大的表面积、较高的导电性和适当的孔径分布。碳材料是理想的cdi电极材料，到目前为止，各种形式的碳材料如活性碳、碳气凝胶、有序介孔碳、碳纳米管、石墨烯等已被广泛研究并应用于cdi除盐中，以提高其脱盐性能。但是这些材料成本高，收率低，制备过程中使用大量有毒有害试剂，对环境造成二次污染，限制了其在cdi上的广泛应用。

除了电极材料的高性能外，成本、可持续性、环境友好性、资源的普适性和制造的简单性都应该是制备过程中需要考虑的条件。生物质具有资源丰富、成本低廉的特点。从生物质中提取的碳材料在污染物吸附、燃料电池、电化学储能、传感器和储氢等诸多领域得到广泛应用，为环境的可持续发展做出了重要贡献。因此，利用可持续生物质衍生的碳材料作为cdi电极也成为一种可行性方法。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的是从生物质中提取的碳材料用于cdi技术。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种用泥炭藓衍生的生物质碳电极除盐的方法，包括以下步骤：

步骤一，将泥炭藓进行碳化，得到碳化的生物碳后均匀研磨成粉末状；

步骤二，将生物质碳、碳黑和ptfe混合配制，随后将混合物质搅拌均匀；

步骤三，将混合物质均匀涂抹在石墨纸表面，制成电极片，随后将电极片进行加热干燥；

步骤四，将干燥后的电极片作为正极和负极，将两电极放入电除盐反应器中，利用蠕动泵将盐水泵入反应器并循环，电极两端施加电压进行除盐测试。

采用上述方案后实现了以下有益效果：1、相对于采用普通碳材料制作的除盐电极，本发明采用碳化后的泥炭藓作为电极活性材料，以泥炭藓自身的生物吸水特性(泥炭藓能吸收水分是自身重量的10～25倍)为启发，研究出泥炭藓自身的生物吸水特性在于自身的孔隙结构和比表面积共同作用，根据此特性制备出的生物质碳电极拥有更大的比表面积和合适的孔径，因此增加了吸附位点，缩短了离子传输路径，可以吸附更多的离子。

2、相对于利用其它特性制备的生物质碳电极，泥炭藓衍生的生物质碳具有很强的亲水性，增大了生物质碳电极与海水的接触面积；有序且密布的孔隙结构提高了离子的传输和扩散能力，同时孔隙结构也便于离子的吸脱附，提高了除盐效率。

3、相对于采用其他材料的现有技术，本技术方案中利用碳黑作为导电介质，ptfe(聚四氟乙烯)作为粘合剂，增强了材料的导电性同时提高了耐水性。

4、相对于引入有毒有害化学试剂制作电极的现有技术，本技术方案采用物理方法制备的生物质碳电极，提高了环保性，为绿色低成本的碳材料制备提供了一条合理有效的途径。

进一步，进行步骤一之前对泥炭藓进行预处理，将泥炭藓放入超纯水中浸泡24小时吸足水分，随后采用液氮冷冻干燥技术冻干材料。

1、相对于直接碳化的泥炭藓，冻干碳化的生物质碳电极循环伏安曲线更接近矩形，表明冻干碳化的生物质碳有更理想的双电层电容。并且其比电容大于直接碳化的生物质碳。

2、相对于直接碳化的泥炭藓，冻干碳化的生物质碳电极具有较小的电极内部电阻和电荷转移电阻，提高了导电性。

3、相对于直接碳化的泥炭藓，冻干碳化的生物质碳电极在除盐过程中盐溶液电导率下降程度快于直接碳化的生物质碳，所以生物质碳电极有更快的离子吸附速率，而且有更高的除盐能力。

进一步，步骤一碳化的温度要求为750℃-850℃，反应时间为2-3小时，气氛为氮气，升温速率3℃-4℃/min。利用缓速升温逐渐碳化，最高限度保护生物质碳电极材料的结构完整。

进一步，步骤二中按照生物质碳：碳黑：ptfe的比例为8:1:1。

进一步，步骤二中先将粉末状的生物质碳和碳黑混合并搅拌均匀，然后将ptfe分散在超纯水中，最后将ptfe倒入混合均匀的固体粉末中机械搅拌10-15分钟。

进一步，步骤三中所述的石墨纸的规格是3cmx10cm，生物质碳、碳黑和ptfe形成的浆状混合物的涂覆面积是3cmx4cm。

进一步，步骤三中采用的加热装置为编程加热板，设定的温度为70℃-80℃，干燥的时间为3-4小时。

进一步，步骤四中盐水循环速度为20-25mlmin^-1,除盐测试时电极两端施加电压为1.2-1.5v。

附图说明

图1为现有cdi技术的操作原理图；

图2为实施例一的流程图；

图3为实施例二的流程图；

图4为冻干碳化的泥炭藓扫描电子显微镜下的结构图；

图5为冻干碳化的泥炭藓透射电子显微镜下的结构图；

图6为冻干碳化的生物质碳电极在不同扫速下的循环伏安曲线；

图7为直接碳化和冻干碳化的生物质碳电极在1.0mnacl水溶液中，扫描速率为20mvs^-1时的循环伏安曲线；

图8为直接碳化和冻干碳化的生物质碳电极的比电容随扫描速率变化曲线；

图9为直接碳化和冻干碳化的生物质碳电极在1.0mnacl水溶液中的阻抗曲线；

图10为直接碳化和冻干碳化的生物质碳电极除盐测试中电导率随时间变化曲线；

图11为直接碳化和冻干碳化的生物质碳电极除盐测试的kim-yoon曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：盐溶液1、清洗溶液2、阴离子3、阳离子4、正电极5、负电极6。

现有技术：

如附图1所示，电除盐原理主要包含两个过程：

吸附过程：在一对平行的电极上施加外电场，盐溶液1从电极间经过，在静电作用下，阴离子3向正电极5迁移，阳离子4向负电极6迁移。最终盐溶液浓度不断降低达到除盐目的。

脱附过程：电极吸附饱和后，将电场去掉，或将正电极5和负电极6互连，吸附在电极上的离子会因失去静电力的作用释放到清洗溶液2中，电极再生。

实施例一：

实施例基本如附图2所示：一种用泥炭藓衍生的生物质碳电极除盐的方法，划分为以下阶段：

一、制作选材和器械：选取新鲜的泥炭藓作为基本材料，试验用盐水(nacl水溶液，250mgl^-1)，辅助材料为超纯水、氮气罐、石墨纸、碳黑和ptfe(聚四氟乙烯)，选用的器械为管式炉、研钵、编程加热板、电子天平、机械搅拌工具、剪刀、药匙、烧杯和电源。

二、碳化阶段：将泥炭藓放入真空状态下的管式炉中，操作人员向管式炉中持续通入氮气，使氮气充当气氛，随后操作人员将预设管式炉的升温速率为3℃/min，在800℃的温度下将泥炭藓碳化两小时。

三、研磨与混合阶段：操作人员利用电子天平对生物质碳、碳黑和ptfe进行称量，生物质碳：碳黑：ptfe的质量比例为8:1:1，随后操作人员先将ptfe分散在超纯水中，其余的操作人员将生物质碳研磨后混合碳黑并搅拌均匀，最后操作人员将ptfe倒入混合均匀的固体粉末中，利用机械搅拌工具搅拌10分钟形成浆状的混合物。

四、电极的制作阶段：操作人员将石墨纸平铺在桌面剪裁为3cmx10cm规格，随后操作人员利用药匙将生物质碳、碳黑与ptfe混合形成的浆状混合物均匀涂抹在剪裁后的石墨纸的表面，浆状混合物的涂覆面积是3cmx4cm。完成涂抹后将涂有浆状混合物的石墨纸放入编程加热板上干燥，设定温度为80℃，干燥的时间为3个小时。

五、进行除盐，将干燥后的电极片作为正极和负极，将两电极放在电除盐反应器中，利用蠕动泵将盐水泵入反应器并循环(循环速度25mlmin^-1)，电极两端施加电压(1.5v)进行除盐测试。

实施例二

如附图3所示，本实施例与实施例一的区别在于两点，第一点为选用器械上添加液氮和镊子，第二点为在进行碳化处理前对泥炭藓进行预处理，将泥炭藓放入超纯水中浸泡24小时吸足水分，随后采用液氮冷冻干燥技术冻干材料。

如附图4所示，将冻干碳化的泥炭藓放入扫描电子显微镜下进行观察。吸收超纯水后的泥炭藓表面完全舒展，孔径分布有序，结构没有坍塌，在液氮的速冻效果下泥炭藓表面没有明显裂痕。

如附图5所示，操作人员随后将冻干碳化的泥炭藓放入透射电子显微镜下观测，得出结构图。碳化后泥炭藓在高倍率下有丰富且有序的孔径分布。

如附图6所示，随后将冻干碳化的生物质碳电极在不同扫速下进行循环伏安测试，展现生物质碳电极在不同扫速下的循环伏安曲线，测试生物质碳的电容和储能效果。

如附图7所示，对比了直接碳化和冻干碳化的生物质碳电极在1.0mnacl水溶液中，扫描速率为20mvs^-1的循环伏安曲线。可以清楚的看到相比于直接碳化，冻干碳化的生物质碳电极曲线更接近矩形，表明了一种理想的双电层电容现象，而且拥有较大的比电容。

如附图8所示，直接碳化和冻干碳化的生物质碳电极比电容随扫描速率变化曲线，从不同生物质碳电极的比电容随扫描速率变化曲线可以看出，在任意一个扫描速率下，冻干碳化的生物质碳电极都要比直接碳化的生物质碳电极比电容大。证明了相对于直接碳化的生物质碳，冻干碳化的生物质碳有较好的电容性能。更具体的在2mvs^-1时，冻干碳化的比电容可以达到192fg^-1。

如附图9所示，直接碳化和冻干碳化的生物质碳电极在1m的nacl溶液中的阻抗曲线，阻抗图由一个高频区的半圆和低频的直线组成，冻干碳化高频区半圆更小，低频区斜直线的斜率更大，而且与横轴的截矩更小，说明冻干碳化的生物质碳电极具有较小的电极内部电阻和电荷转移电阻，导电性良好。

如附图10所示，直接碳化和冻干碳化的生物质碳电极在除盐时，nacl溶液电导率随时间变化曲线，在电除盐过程中，冻干碳化的生物质碳电极使nacl溶液的电导率下降的更快，更多。说明冻干碳化的生物质碳电极有更快的离子吸附速率，而且有更高的除盐能力。

如附图11所示，电除盐中，kim-yoon曲线用来描述电极的除盐能力，从图中可以看出冻干碳化的生物质碳电极相比于直接碳化的电极曲线位于更上和更右的位置，说明冻干碳化的生物质碳电极除盐能力强于直接碳化的生物质碳。

泥炭藓具有很强的吸水能力，能吸收是自身重量的10～25倍的水分。本专利首次采用泥炭藓作为初始材料经过碳化过程制备了生物质衍生碳，我们利用这种生物质碳材料作为活性物质，碳黑作为导电剂，聚四氟乙烯(ptfe)作为粘结剂混合均匀以后涂覆到石墨纸上面，经过烘干过程得到cdi电极。这种制备的cdi电极拥有大的比表面积，合理的孔结构以及优异的电导率和耐水性等优点。

在应用于除盐测试时，生物质碳电极表现出良好的除盐性能和循环稳定性。除盐量可以达到10mgg^-1。我们的工作的优点是前驱体材料丰富易得，制备简单，环保，不使用任何化学试剂。该工作为绿色低成本碳材料的制备提供了一条合理有效的途径，在cdi和储能等方面具有很大的应用潜力。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。