一种用于矿井水处理的电容脱盐电极材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种用于矿井水处理的电容脱盐电极材料及其制备方法与应用，该电极材料采用以下制备方法制备得到：(1)取活性炭粉末加入硝酸溶液中，进行反应，然后过滤、洗涤，再经干燥得到改性活性炭粉末；(2)取阳离子表面活性剂分散于脱氧去离子水中，然后加入二价铁盐和三价铁盐，得到混合液，将混合液的pH调节至碱性，再加入步骤(1)中所得改性活性炭粉末，进行老化反应，再经洗涤、过滤、干燥、研磨、过筛得到磁性碳粉末，即为目的产物。该磁性碳粉末用于矿井水脱盐。与现有技术相比，本发明专利技术电极材料颗粒不易聚集沉降，电极材料和电解液分离方便，使用本发明专利技术磁性碳流动电极浆液对矿井水进行脱盐，脱盐效率高，且提高了FCDI系统的稳定性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于矿井水处理的电容脱盐电极材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于废水处理
，涉及一种用于矿井水处理的电容脱盐电极材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]水资源短缺是当前全球面临的重要挑战之一。通过从苦咸水、矿井水、微咸地下水和废水中提取淡水来增加淡水供应对于缓解全球水资源压力至关重要。在现有的电化学处理技术中，电容去离子化(CDI)作为新兴的电驱动技术吸引了越来越多的关注，相比压力或热驱动脱盐工艺，CDI对低盐度水的处理具有明显竞争力。典型CDI系统中，当施加适当电压时，离子从夹层间隔室中被去除，最终阳离子和阴离子被吸附在电极孔的电双层(EDLs)中。然而，静态电极有限的离子存储容量不能解决持续的脱盐问题，因此传统CDI和CDI变体只能以间歇性的方式对低盐度的水进行脱盐。
[0003]流动电极CDI(简称FCDI)因其近乎无限的电吸附能力、高水回收率和高能源效率而在苦咸水处理中受到特别关注。尽管在过去几年中取得了很大的进步，但FCDI的实际应用仍然受到一些挑战的限制，包括:(i)离子吸附速率低，(ii)高电阻和低工作电容，(iii)驱动流动电极的额外能量消耗和(iv)缺乏方便的电极
‑
电解液分离方法。通常，装载更高含量碳材料、导电剂、电解质是目前最常用的方法，可以使电极网络的连通性更好，离子吸附容量更大。然而，随着炭浆粘度的增加，流道内易发生的堵塞，对FCDI系统的长期稳定性产生不利影响。更重要的是，上述策略不能从根本上弥补流电极导电网络的不连续特性，导致电阻比固定电极仍高出几个数量级。传统流动电极颗粒的另一个不足是在重力或颗粒间作用力下易发生聚集沉降。且传统磁性碳的制备过程中，碳基底对铁的负载能力差，碳表面生长的Fe3O4不稳定，采用磁性碳作为电极的FCDI处理矿井水的脱盐速率较低。因此，为了解决上述技术难题，需要提出一种更加简单、实用且高效的FCDI技术。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了提供一种用于矿井水处理的电容脱盐电极材料及其制备方法与应用，以克服现有技术中以下缺陷的至少一种：流动电极CDI的电极材料使用量较大，易堵塞流道，或电极材料颗粒因重力或颗粒间作用力易发生聚集沉降，导致FCDI系统稳定性差；电极材料和电解液分离不方便；FCDI系统泵送流动电极所需能耗高、离子吸附速率低或电极导电网络不连续；磁性碳的传统制备过程中，活性炭本身比表面积减少，同时活性炭对铁的负载能力差。
[0005]本专利技术的目的是提供高效处理矿井水的电化学技术，提高FCDI有效离子吸附容量，提供一种用于矿井水处理的电容脱盐电极材料及其制备方法与应用。本专利技术通过对活性炭进行磁化改性，在保持活性炭的比表面积和孔径结构的同时可以实现电极在磁场下的定向迁移，磁性碳电极具有稳定性高、可回收再生等特点，且可以大规模制备，成本低廉。进
一步利用磁场控制磁性碳电极在FCDI流道中的传输过程，大幅提高电荷渗透网络的连接程度，从而增加流动电极颗粒之间的电子传递效率，实现有效吸附容量的提高，且人为调控的磁场有效解决颗粒聚集引起的堵塞风险。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]本专利技术的技术方案之一提供了一种用于矿井水处理的电容脱盐电极材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
[0008](1)取活性炭粉末加入硝酸溶液中，进行反应，然后过滤、洗涤，再经干燥得到改性活性炭粉末；
[0009](2)取阳离子表面活性剂分散于脱氧去离子水(脱氧处理的去离子水)中，然后加入二价铁盐和三价铁盐，得到混合液，将混合液的pH调节至碱性，再加入步骤(1)中所得改性活性炭粉末，进行老化反应，再经洗涤、过滤、干燥、研磨、过筛得到磁性碳粉末，即为目的产物。
[0010]进一步的，步骤(1)中，所述活性炭粉末的粒径为5
‑
100μm。
[0011]进一步的，步骤(1)中，所述硝酸溶液的浓度为5
‑
10mol/L。
[0012]进一步的，步骤(1)中，所述活性炭粉末在硝酸溶液中的浓度为50
‑
200g/L。
[0013]进一步的，步骤(1)中，反应温度为200
‑
300℃，反应时间为5
‑
10h。
[0014]进一步的，步骤(1)中，洗涤数次，直至滤液为弱酸性或中性，再进行干燥。
[0015]进一步的，步骤(2)中，调节pH至10.0
‑
11.0。
[0016]进一步的，步骤(2)中，所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十八烷基三甲基氯化铵或十二烷基苯磺酸。
[0017]进一步的，步骤(2)中，所述磁性碳粉末的磁强度为10
‑
30emu/g。
[0018]进一步的，步骤(2)中，阳离子表面活性剂在脱氧去离子水中的浓度为5
‑
20g/L。
[0019]进一步的，步骤(2)中，二价铁盐和三价铁盐的铁元素摩尔比为4:(2.5
‑
3)。
[0020]进一步的，步骤(2)中，二价铁盐和三价铁盐的铁元素总质量与改性活性炭粉末中碳元素的质量之比为(0.05
‑
0.2):1。
[0021]进一步的，步骤(2)中，在机械搅拌下和高温水浴环境下，缓慢加入碱溶液使混合液的pH调节到10.0
‑
11.0。
[0022]进一步的，步骤(2)中，老化反应的温度为80
‑
90℃，老化反应的时间为12
‑
36h。
[0023]进一步的，步骤(2)中，调节pH后，将改性活性炭粉末缓慢、连续加入到混合液中，边投加边剧烈机械搅拌。
[0024]更进一步的，步骤(2)中，老化反应结束后，控制机械搅拌的转速从1000rpm线性下降至100rpm，洗涤混合液以去除未完全反应的组分与杂质铁矿物，保证最终滤液的电导率控制在0.5mS/cm以下，pH控制在5
‑
9范围内。
[0025]进一步的，步骤(2)中，过筛得到150
‑
500目的磁性碳粉末。
[0026]本专利技术的技术方案之二提供了一种用于矿井水处理的电容脱盐电极材料，该电极材料采用上述制备方法制备得到。
[0027]本专利技术的技术方案之三提供了上述电极材料的应用，该电极材料用于矿井水脱盐，具体操作过程为：
[0028]S1：取磁性碳粉末分散于去离子水中，然后加入NaCl、羧甲基纤维素钠和正辛醇，
得到磁性碳流动电极浆液；
[0029]S2:将所得磁性碳流动电极浆液通入磁驱动流动电极电容去离子装置的流动电极室，将矿井水通入离子分离室，然后打开可编程直流电源，通过磁驱动流动电极电容去离子装置的电磁铁控制磁场强度与波形，对矿井水进行脱盐。
[0030]进一步的，步骤S1中，磁性碳流动电极浆液中羧甲基纤维素钠本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于矿井水处理的电容脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)取活性炭粉末加入硝酸溶液中，进行反应，然后过滤、洗涤，再经干燥得到改性活性炭粉末；(2)取阳离子表面活性剂分散于脱氧去离子水中，然后加入二价铁盐和三价铁盐，得到混合液，将混合液的pH调节至碱性，再加入步骤(1)中所得改性活性炭粉末，进行老化反应，再经洗涤、过滤、干燥、研磨、过筛得到磁性碳粉末，即为目的产物。2.根据权利要求1所述的一种用于矿井水处理的电容脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述活性炭粉末的粒径为5
‑
100μm；步骤(1)中，所述硝酸溶液的浓度为5
‑
10mol/L；步骤(1)中，所述活性炭粉末在硝酸溶液中的浓度为50
‑
200g/L；步骤(1)中，反应温度为200
‑
300℃，反应时间为5
‑
10h。3.根据权利要求1所述的一种用于矿井水处理的电容脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十八烷基三甲基氯化铵或十二烷基苯磺酸；步骤(2)中，所述磁性碳粉末的磁强度为10
‑
30emu/g；步骤(2)中，阳离子表面活性剂在脱氧去离子水中的浓度为5
‑
20g/L；步骤(2)中，二价铁盐和三价铁盐的铁元素摩尔比为4:(2.5
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3)；步骤(2)中，二价铁盐和三价铁盐的铁元素总质量与改性活性炭粉末中碳元素的质量之比为(0.05
‑
0.2):1；步骤(2)中，老化反应的温度为80
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90℃，老化反应的时间为12
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36h；步骤(2)中，过筛得到150
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500目的磁性碳粉末；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴德礼，徐龙乾，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：