树脂复合活性炭双层电极、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种树脂复合活性炭双层电极、制备方法及其应用。将粘结剂与活性炭混合均匀，经过压膜成型，将其固定在电极片上得到碳电极；再将粘结剂与破碎筛分后的树脂混合均匀，经过压膜成型，将其固定在碳电极上，即得所述的双层电极。以此双层电极为吸附装置的阳极，以碳电极为阴极，可用于选择性电吸附硝酸盐，其电吸附效率显著优于单纯碳电极。

【技术实现步骤摘要】
树脂复合活性炭双层电极、制备方法及其应用
本专利技术涉及一种树脂复合活性炭双层电极、制备方法及其在选择性电吸附硝酸盐的应用，属于电容去离子领域。
技术介绍
目前，人类的工农业生产和其他社会活动已造成地下水及地表水中硝酸盐浓度的不断提高，而饮用水中硝酸盐浓度的升高回对人体健康造成严重危害。因此，世界卫生组织建议，饮用水中硝酸盐浓度应低于10mg/L。用于去除硝酸盐的方法主要有离子交换，生物处理，反渗透及电渗析等方法，但它们各有缺陷，如离子交换法再生性困难，生物处理低温下效率低，反渗透及电渗析耗能甚大。基于此，电容去离子（CDI）技术由于与电渗析、反渗透等技术相较具有成本低、能耗低、易于控制、无二次污染等优势，受到广泛关注。电容去离子技术是通过将电吸附装置连接电源，利用电荷吸引，将带有相反电荷的离子吸引到电极表面，形成双电子层，达到去除离子的目的。近年来，作为CDI技术的核心，电极材料的制备受到了广泛的关注，尤其是具有高比表面积的碳材料，如：活性炭，石墨烯，碳气凝胶，碳纳米管等。为进一步提高电极对离子的电吸附效率，科学工作者通过将离子交换膜与碳电极耦合，在普通CDI系统的电极间竖立阴阳离子交换膜，开发了能有效改进电吸附性能的膜电容去离子技术（MCDI）。此外，也有学者将离子交换聚合物涂覆于碳电极上，从而制备出一种新型电极，涂覆技术与MCDI技术相比，成本低，且能达到提高吸附性能及选择性的效果，具有较高的发展潜力。CDI技术的改进大大提高了电吸附效率，然而，仅仅通过增强电吸附性能无法增加对特定离子（硝酸根）的吸附选择性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有高选择性去除硝酸盐的双层电吸附电极及其制备方法，其具有高的吸附容量和对硝酸盐电吸附选择性。本专利技术的另一目的在于提供上述复合电吸附电极的应用。实现本专利技术的技术解决方案是：一种树脂复合活性炭双层电极，将粘结剂与活性炭均匀混合，经过压膜成型，将其固定在电极片上得到碳电极；再将粘结剂与破碎筛分后的树脂混合，经过压膜成型，将其固定在碳电极上，即得所述的双层电极。上述双层电极中，粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯和聚乙二醇等的一种或几种的混合物。上述双层电极中，电极片为碳材质或铝、镍、钛、铜、不锈钢等金属材质，其形态为网、箔膜和海绵体中的一种。上述双层电极中，树脂采用D201、A520E、NDP-1、NDP-2树脂中任意一种或几种的混合物。上述双层电极中，以质量比计，活性炭：粘结剂=99：50~9：20。上述双层电极中，以质量比计，树脂：粘结剂=99：50~9：20。上述树脂复合活性炭双层电极的制备方法，其步骤如下：（a）按照活性炭：有机溶剂=1:1~2:1的质量比例将活性炭溶于有机溶剂中，搅拌均匀；（b）按照粘结剂：有机溶剂=5:4~1:2的质量比例，将粘结剂溶于有机溶剂中；（c）将步骤（a）和步骤（b）按1：1~1：2比例混合均匀，再研磨超声6~8h；（d）将步骤（c）混合材料均匀涂到电极片上，压缩成型，并且60~100℃烘干16~24h，即得碳电极；（e）重复步骤（b）；（f）按照树脂粉末：有机溶剂=1:1~2:1的质量比例将树脂粉末溶于有机溶剂中，搅拌均匀；（g）将步骤（e）和步骤（f）按1：1-1：2比例混合均匀，再研磨超声6~8h；（h）将步骤（g）混合材料均匀涂到碳电极上，压缩成型，并且60~100℃烘干16~24h，即得树脂复合活性炭双层电极。进一步地，步骤（a）、（b）、（f）中，所述的有机溶剂为乙醇或甲醇。步骤（f）中，树脂粉末的粒径为50-300目。上述树脂复合活性炭双层电极在选择性电吸附硝酸盐的应用。与现有技术相比，本专利技术利用阴离子交换树脂选择性吸附硝酸盐的优点，将其负载涂覆于传统活性炭电极表面，制备树脂复合活性炭双层电极，具有以下特点：1.电吸附容量高；2.硝酸盐电吸附选择性好；3.较高的吸附速率；4.较优的抗污染性。这些特点使该双层电极在城市污水及市政废水处理等领域中对于硝酸根的去除广泛应用。附图说明图1为本专利技术实施例1中的树脂复合活性炭双层电极表面（a）和截面(b)的SEM图。图2为本专利技术实施例5中的树脂复合活性炭双层电极在1.0V电压下对离子的吸附情况。图3为本专利技术实施例5中树脂复合活性炭电极与单纯活性炭电极选择性电吸附硝酸盐对比结果。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术进行详细描述。本专利技术所述的树脂复合活性炭双层电极能够去除的离子包括NO3-,Cl-，SO42-,PO43-等，但是对NO3-具有更高的电吸附选择性，吸附时间为20~150分钟，脱附时间为20~150分钟，通电电压为1.0~2.0V。实施例1将阴离子交换树脂粉末溶于0.05MNaOH溶液中，浸泡12小时，然后用超纯水洗至中性，然后将树脂粉末溶于0.05MHCl溶液中，浸泡12小时，然后用超纯水洗至中性，烘干。称取活性炭粉末0.15g，溶于3ml乙醇中，混合均匀。将粘结剂PTFE按照与活性炭质量比为1：1的比例溶于2ml乙醇中，分散30min。将两者混合均匀，超声1h。混合后的溶液涂于电极片上，在模具中压模成型，烘箱70℃烘干12h，得到碳电极；称取阴离子交换树脂粉末0.05g，溶于3ml乙醇中，混合均匀。将粘结剂PTFE按照与树脂粉末质量比为1：1的比例溶于2ml乙醇中，分散30min，将两者混合均匀，超声1h，混合后的溶液涂于碳电极表面，在模具中压模成型，烘箱70℃烘干12h，得到树脂复合活性炭双层电极。图1为电极的SEM图。图中可以看到树脂层很好地负载于碳电极表面。实施例2将阴离子交换树脂粉末溶于0.05MNaOH溶液中，浸泡12小时，然后用超纯水洗至中性，然后将树脂粉末溶于0.05MHCl溶液中，浸泡12小时，然后用超纯水洗至中性，烘干。称取活性炭粉末1g，溶于20ml乙醇中，混合均匀。将粘结剂PTFE按照与活性炭质量比为1：1的比例溶于15ml乙醇中，分散30min。将两者混合均匀，超声2h。混合后的溶液涂于电极片上，在模具中压模成型，烘箱70℃烘干12h，得到碳电极；称取阴离子交换树脂粉末0.3g，溶于10ml乙醇中，混合均匀。将粘结剂PTFE按照与树脂粉末质量比为1：1的比例溶于5ml乙醇中，分散30min，将两者混合均匀，超声2h，混合后的溶液涂于碳电极表面，在模具中压模成型，烘箱70℃烘干12h，得到树脂复合活性炭双层电极。将制备好的电极在纯水中浸泡小时。将制备的树脂复合活性炭双层电极作为阳极，碳电极作为阴极，安装到电吸附装置中，通电1.6V，选择性吸附水体（5mMNaCl，2mMNaNO3，200ml）中的NO3-，NO3-吸附量为40.42%，Cl-吸附量为25.37%，NO3-吸附占比为38.92%。实施例3将阴离子交换树脂粉末溶于0.05MNaOH溶液中，浸泡12小时，然后用超纯水洗至中性，然后将树脂粉末溶于0.05MHCl溶液中，浸泡12小时，然后用超纯水洗至中性，烘干。称取活性炭粉末1g，溶于20ml乙醇中，混合均匀。将粘结剂PTFE按照与活性炭质量比为1：1的比例溶于10ml乙醇中，分散30min。将两者混合均匀，超声2h。混合后的溶液涂于电极片上，在模具中压模成型，烘箱70℃烘干12h，得到碳电极；称取阴离子交换树脂粉末0.3g，本文档来自技高网...

【技术保护点】
树脂复合活性炭双层电极，其特征在于，将粘结剂与活性炭混合均匀，经过压膜成型，将其固定在电极片上得到碳电极；再将粘结剂与破碎筛分后的树脂混合均匀，经过压膜成型，将其固定在碳电极上，即得所述的双层电极。

【技术特征摘要】
1.树脂复合活性炭双层电极，其特征在于，将粘结剂与活性炭混合均匀，经过压膜成型，将其固定在电极片上得到碳电极；再将粘结剂与破碎筛分后的树脂混合均匀，经过压膜成型，将其固定在碳电极上，即得所述的双层电极。2.如权利要求1所述的双层电极，其特征在于，粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯和聚乙二醇的一种或几种的混合物。3.如权利要求1所述的双层电极，其特征在于，电极片为碳材质或铝、镍、钛、铜、不锈钢金属材质，其形态为网、箔膜和海绵体中的一种。4.如权利要求1所述的双层电极，其特征在于，树脂采用D201、A520E、NDP-1、NDP-2树脂中任意一种或几种的混合物。5.如权利要求1所述的双层电极，其特征在于，将活性炭：粘结剂=99：50~9：20按质量比混合均匀。6.如权利要求1所述的双层电极，其特征在于，将树脂：粘结剂=99：50~9：20按质量比混合均匀。7.树脂复合活性炭双层电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（a）按照活性炭：有机溶剂=1:1~2:1的质量比例将...

【专利技术属性】
技术研发人员：李爱民，甘玲，宋海欧，杨爽，吴一凡，王长明，姜笔存，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32