一种能够借助电解质强化其电极材料的电容去离子系统技术方案

本发明专利技术公开了一种能够借助电解质强化其电极材料的电容去离子系统，包括阳极室、阴极室和盐水腔室，阳极室和阴极室之间设置有靠近阳极室的阴离子交换膜和靠近阴极室的阳离子交换膜，阳极室内设置有二氧化锰电极片，并注有氯化铵溶液，阴极室内设置有活性炭电极片，并注有铁氰化钠溶液；阳离子交换膜和阴离子交换膜对中相邻两种离子交换膜之间有腔室隔开，形成盐水腔室，盐水腔室利用硅胶管形成闭合回路。本发明专利技术分别利用阴极室内铁氰化钠溶液强化活性炭电极构筑功能性界面以协同吸附更多钠离子，阳极室内氯化铵溶液强化MnO2电极导致氢键断裂协同吸附更多氯离子，从而提高脱盐性能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种能够借助电解质强化其电极材料的电容去离子系统


[0001]本专利技术属于盐水淡化
，涉及一种能够借助电解质强化其电极材料的电容去离子系统。

技术介绍

[0002]鉴于地球上储量丰富的海水和苦咸水资源，通过脱盐技术将海水转化成为淡水是解决这一问题的有效途径。常见的海水淡化策略通常包括反渗透、热蒸馏、电渗析和电容去离子(Capacitive Deionization,CDI)等。反渗透和热蒸馏以及电渗析已在世界各地得到广泛应用，且需求仍在增长。然而，这三种方法伴随着高能耗。CDI作为替代解决方案，易于操作且环保，展现出的低能耗为海水淡化提供了可持续的未来。CDI基于电极表面上的电吸收从盐水中去除离子，离子被收集并存储在双电层中，但是其低的电容量导致了相对较低的脱盐量。
[0003]经过大量研究发现混合电容去离子(Hybrid Capacitive Deionization，HCDI)有较高的脱盐量，其中法拉第电极在一侧捕获钠离子，碳基材料位于另一侧以物理方式吸收氯离子，但其仍存在一些阈值，因为其脱盐方式依赖于通过本体材料的电吸附以及法拉第反应去除离子。因此想要提升脱盐量，必须要通过对电极材料及电解质的研究及其改进以打破这些阈值。目前，还未有研究者通过电解质对其阈值及其性能提升进行研究。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在提供一种能够借助电解质强化其电极材料的电容去离子系统，以克服
技术介绍
中提到的问题，该系统包括阳极室、阴极室和盐水腔室，分别利用阴极室内铁氰化钠溶液强化活性炭电极构筑功能性界面以协同吸附更多钠离子，阳极室内氯化铵溶液强化MnO2电极导致氢键断裂协同吸附更多氯离子，从而提高CDI的脱盐性能。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种能够借助电解质强化其电极材料的电容去离子系统，包括阳极室、阴极室和盐水腔室，所述阳极室和阴极室之间设置有靠近阳极室的阴离子交换膜和靠近阴极室的阳离子交换膜，所述阳极室内设置有二氧化锰电极片，并注有浓度为0.01mol/L的氯化铵溶液，所述阴极室内设置有活性炭电极片，并注有浓度为0.01mol/L的铁氰化钠溶液；所述阳离子交换膜和阴离子交换膜对中相邻两种离子交换膜之间有腔室隔开，形成盐水腔室，所述盐水腔室利用硅胶管形成闭合回路；所述二氧化锰电极片通过导线经外电压与活性炭电极片连接，所述阳极室和阴极室采用硅胶管连接形成闭合回路。
[0007]作为本专利技术的限定：
[0008](一)所述二氧化锰电极片按照如下的步骤顺序依次制备而成：
[0009]S1、制备具有铵离子氢键预插层的二氧化锰
[0010]S11、将高锰酸钠和硫酸铵分别溶于去离子水中，分别形成高锰酸钠和硫酸铵溶液，将高锰酸钠和硫酸铵溶液按照物质的量摩尔比为2∶1混合后进行磁力搅拌，得混合液；
[0011]S12、将得到的混合液转移至反应釜中于170～190℃下反应16h，反应完毕后冷却至室温，得悬浊液；
[0012]S13、将悬浊液分别进行离心、水洗三次，然后将固体产物置于冷冻干燥箱中冷冻干燥，制得具有铵离子氢键预插层的α相二氧化锰；
[0013]S2、制备二氧化锰电极片
[0014]将步骤S1制备得到的产物研磨成粉末，并将其与乙炔黑、聚乙烯醇缩丁醛及聚乙烯吡略烷酮混合均匀得混合物，然后在混合物中加入无水乙醇，搅拌20min，获得浆料混合物，将浆料混合物均匀涂抹于石墨板上，80℃干燥后得二氧化锰电极片。
[0015](二)所述活性炭电极片按照如下的步骤顺序依次制备而成：
[0016]将活性炭研磨成粉末，并将其与乙炔黑、聚乙烯醇缩丁醛及聚乙烯吡略烷酮混合均匀得混合物，然后在混合物中加入无水乙醇，搅拌20min，获得浆料混合物，将浆料混合物均匀涂抹于石墨板上，80℃干燥后得活性炭电极片。
[0017]作为本专利技术的进一步限定：
[0018](一)步骤S13中，所述冷冻干燥的温度为
‑
60℃，时间为12h。
[0019]冷冻干燥过程中，影响着材料中水分的挥发速度以及材料的强度，通过冷冻干燥使其体积几乎不变，保持了原来孔道的结构，不会发生浓缩现象，特殊的孔道结构不仅在保证其稳定性的基础上，也进一步促进了电荷转移。
[0020](二)步骤S2中，具有铵离子氢键预插层的α相二氧化锰与乙炔黑、聚乙烯醇缩丁醛及聚乙烯吡略烷酮的质量比为20：8.6：5：7.5。
[0021]本专利技术中具有铵离子氢键预插层的α相二氧化锰与乙炔黑、聚乙烯醇缩丁醛及聚乙烯吡略烷酮的质量比影响着活性物质的导电性与离子扩散，进而影响着活性物质的脱盐性能与倍率性能。
[0022](三)步骤S2中，所述浆料混合物均匀涂抹于石墨板上厚度为0.3
‑
0.5mm。
[0023]作为本专利技术的更进一步限定：
[0024](一)活性炭与乙炔黑、聚乙烯醇缩丁醛及聚乙烯吡略烷酮的质量比为20：8.6：5：7.5。
[0025](二)所述浆料混合物均匀涂抹于钛板上厚度为0.3
‑
0.5mm。
[0026]本专利技术还有一种限定，具有铵离子氢键预插层的α相二氧化锰为纳米棒形貌，孔道直径为50nm。这种特殊的孔道结构可既利于扩大电活性材料与电解质铵离子之间的接触面积，促进铵离子的存储和扩散，又有利于缓解放电/充电过程中离子插入/脱出引起的结构变化。摩尔质量较小的铵离子预插层的α相二氧化锰具有铵离子与氧原子形成的氢键，强大的键能防止了结构坍塌，并充当“结构柱”稳定孔道结构提供高的循环性能。
[0027]本专利技术提供一种能够借助电解质强化其电极材料的电容去离子系统，分别利用阴极室内铁氰化钠溶液强化活性炭电极以协同吸附更多钠离子，阳极室内氯化铵溶液强化MnO2电极协同吸附更多氯离子，从而提高系统的脱盐性能。具体的，在阳极室内，活性炭利用双电层吸附钠离子的同时，铁氰化钠发生还原反应，铁氰化钠与活性炭电极片增加了接触面积并有效构筑功能性界面，进而协同吸附更多钠离子；阴极室内，因为使用铵离子氢键预插层的α相二氧化锰电极片，铵离子与二氧化锰之间会形成氢键促进电荷转移并进一步稳定结构，由于其特殊的结构，在电解过程中，具有铵离子氢键预插层的二氧化锰在氯化铵
电解液中利用氢键的断裂转移大量的电子来吸附氯离子，这是因为氢键的断裂可使得较多的电子发生转移，使其吸附更多氯离子，进而实现大幅度脱盐的性能。
[0028]本专利技术的电解系统中，阳极室氯化铵与阴极室铁氰化钠的浓度也是较为重要的，电解质浓度为0.01mol/L时效果最佳，浓度低于这个时会因铁氰化物还原能力不足与氢键的断裂数量不足导致性能降低，当浓度过高时不仅会导致电解质的浪费，也可能由于中间盐溶液的离子极化导致系统电阻升高进一步导致性能下降，最重要的是铁氰化钠最终不仅会造成有害化学物质的环境影响，而且会导致高昂的维护成本。
[0029]本专利技术上述技术方案作为一个整体，各个步骤之间是息息相关，无法割裂的。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能够借助电解质强化其电极材料的电容去离子系统，包括阳极室、阴极室和盐水腔室，所述阳极室和阴极室之间设置有靠近阳极室的阴离子交换膜和靠近阴极室的阳离子交换膜，其特征在于，所述阳极室内设置有二氧化锰电极片，并注有氯化铵溶液，所述阴极室内设置有活性炭电极片，并注有铁氰化钠溶液；所述阳离子交换膜和阴离子交换膜对中相邻两种离子交换膜之间有腔室隔开，形成盐水腔室，所述盐水腔室利用硅胶管形成闭合回路；所述二氧化锰电极片通过导线经外电压与活性炭电极片连接，所述阳极室和阴极室采用硅胶管连接形成闭合回路。2.根据权利要求1所述的一种能够借助电解质强化其电极材料的电容去离子系统，其特征在于：所述二氧化锰电极片按照如下的步骤顺序依次制备而成：S1、制备具有铵离子氢键预插层的二氧化锰S11、将高锰酸钠和硫酸铵分别溶于去离子水中，分别形成高锰酸钠和硫酸铵溶液，将高锰酸钠和硫酸铵溶液按照物质的量摩尔比为2:1混合后进行磁力搅拌，得混合液；S12、将得到的混合液转移至反应釜中于170～190℃下反应16h，反应完毕后冷却至室温，得悬浊液；S13、将悬浊液分别进行离心、水洗三次，然后将固体产物置于冷冻干燥箱中冷冻干燥，制得具有铵离子氢键预插层的α相二氧化锰；S2、制备二氧化锰电极片将步骤S1制备得到的产物研磨成粉末，并将其与乙炔黑、聚乙烯醇缩丁醛及聚乙烯吡略烷酮混合均匀得混合物，然后在混合物中加入无水乙醇，搅拌20min，获得浆料混合物，将浆料混合物均匀涂抹于石墨板上，80℃干燥后得二氧化锰电极片。3.根据权利要求1所述的一种能够借助电解质强化其电极材料的电容去离子系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建韧，刘锦康，高发明，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：