一种活化复合生物炭电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种活化复合生物炭电极及其制备方法和应用，所述活化复合生物炭电极是由含活化复合生物炭、导电剂、黏结剂的电极浆液涂覆在集流体上干燥而得；所述活化复合生物炭是由原始生物炭经碱性活化剂活化后，先于150～250℃保温处理，再于500～700℃高温活化处理而得；所述原始生物炭是由生物质原料于350～450℃预炭化处理而得；所述生物质原料是由虾壳和烟秆按照质量比1:1～1:3混合而得。本发明专利技术以虾壳和烟秆为原料制备活化复合生物炭，制得的活化复合生物炭结构稳定、具有比表面积大和孔隙结构丰富的优点，由所述的活化复合生物炭制得的活化复合生物炭电极可用于电容去离子中进行电吸附脱盐。离子中进行电吸附脱盐。

【技术实现步骤摘要】
一种活化复合生物炭电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术是涉及一种活化复合生物炭电极及其制备方法和应用，属于环境保护


技术介绍

[0002]水污染及水资源短缺已成为全球可持续发展面临的主要挑战之一。随着人口的快速增长、工业化发展以及气候变化的影响而不断增加，对清洁水日益增长的需求亟待满足。因此，水处理及海水淡化技术的开发和研究是成为解决水资源问题的关键。故开发一种低能耗、高效率的环境友好型脱盐技术至关重要，有利于推动绿色发展和促进经济增长。
[0003]电容去离子(CDI)技术是一种基于双电层电容理论的水质淡化净化技术，具有低能耗、环境友好等优势，应用于废水中微量重金属达标处理、硬水软化、苦咸水处理和海水脱盐等领域。电极材料是CDI技术的核心部分，而碳材料是目前最为常见的电极材料。碳材料主要有活性炭、碳纳米管、碳纳米纤维、碳气凝胶和石墨烯及其改性材料等几大类，其中：活性炭是一种黑色多孔的固体炭质，由煤通过粉碎、成型或用均匀的煤粒经炭化、活化生产，但是活性炭的制备需要用到大量的不可再生的煤，造成资源上的浪费，并且制备的电极材料的电吸附性能较低；碳纳米管、碳纳米纤维、碳气凝胶、石墨烯等虽然具有优异的电吸附性能，但其合成复杂且成本也更高，限制了其大规模生产。
[0004]生物质材料是一种可持续的再生资源，价格低廉，广泛存在于自然界中，其获取和制备途径都十分简便，若将其用于电极的制备，既可解决生物质随意堆积导致的环境和占地问题，又能使其得到资源化利用，最大限度发挥生物质的经济价值和应用潜力。
[0005]目前关于生物质材料的应用，主要是将单一品种的生物质材料进行炭化、活化以及改性，制得复合生物炭，制得的复合生物炭主要用于超级电容器中，例如：中国专利CN202010840785.9公开了一种高氮生物炭复合材料及其制备方法和用途，制备方法包括如下步骤：1)酸洗高氮生物质原料，再清洗至中性；2)将高氮生物质原料与碱金属盐共混物在富碳气氛下进行热解处理，制得氮自掺杂活性生物炭；3)将氮自掺杂活性生物炭进行金属氧化物包覆，水热炭化，得到高氮生物炭复合材料，应用于超级电容器或离子电池的电极；中国专利CN202110030283.4公开了一种复合生物炭基材料、其制备方法及应用，制备方法包括如下步骤：1)将生物质在氮气气氛下进行热解处理，降至室温后，清洗烘干，得到碳化材料；2)将碳化材料浸渍在KOH溶液中混合，烘干，在氮气氛围下以2～3℃/分钟加热至700℃活化，降至室温，清洗烘干，得到活化材料；3)将氧化石墨烯分散在水中，调节pH到8～9，再将乙二胺和乙醇的混合溶液加入上述石墨烯水溶液中，室温下搅拌，得到改性氧化石墨烯；4)将改性氧化石墨烯分散在乙酸溶液中，加入取代苯胺和水，持续搅拌，逐滴加入硫酸铵水溶液，继续搅拌，反应后用NaOH中和，于无水乙醇中沉淀，干燥，得到改性氧化石墨烯/聚苯胺复合材料，5)接着将改性氧化石墨烯/聚苯胺复合材料和活化材料浸渍在KOH溶液中混合，烘干，在氮气氛围下以2～3℃/分钟加热至700℃活化，降至室温，清洗烘干，得到复合生物炭基材料，应用于超级电容器中。但上述制备工艺复杂，成本较高，限制了复合生物炭
的大规模生产应用。
[0006]目前尚未有将虾壳和烟秆这两种生物质原料复合制备成活化复合生物炭电极的相关报道，更未有将由虾壳和烟秆制得的活化复合生物炭电极用于电容去离子中水体脱盐的相关报道。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种活化复合生物炭电极及其制备方法和应用。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种活化复合生物炭电极，是由含活化复合生物炭、导电剂、黏结剂的电极浆液涂覆在集流体上干燥而得；所述活化复合生物炭是由原始生物炭经碱性活化剂活化后，先于150～250℃保温处理，再于500～700℃高温活化处理而得；所述原始生物炭是由生物质原料于350～450℃预炭化处理而得；所述生物质原料是由虾壳和烟秆按照质量比1:1～1:3混合而得。
[0010]一种实施方案，所述电极浆液由活化复合生物炭、导电剂、黏结剂与溶剂混合而得。
[0011]一种活化复合生物炭电极的制备，包括如下步骤：
[0012]a)先将虾壳和烟秆分别破碎过筛，然后将得到的虾壳和烟秆粉末按照质量比1:1～1:3混合均匀得到生物质原料；再将生物质原料置于马弗炉中，在限氧条件下升温至350～450℃预炭化1～2小时，得到原始生物炭；
[0013]b)将步骤a)制得的原始生物炭分散于碱性活化剂水溶液中搅拌2～8小时，过滤，干燥，然后将干燥后的样品置于管式炉中；在惰性气体保护下，先升温至150～250℃保温15～45分钟，再升温至500～700℃高温活化1～2小时，得到活化复合生物炭；
[0014]c)将步骤b)制得的活化复合生物炭与导电剂和黏结剂混合，然后将得到的混合物加入溶剂搅拌混合均匀制成电极浆液，再将电极浆液均匀涂覆在集流体上，于60～80℃干燥10～15小时，得到活化复合生物炭电极。
[0015]一种实施方案，步骤a)中，虾壳和烟秆破碎过筛时的筛目数是120目。
[0016]一种实施方案，步骤a)中，升温速率是2～5℃/分钟。
[0017]一种优选方案，步骤a)中，在限氧条件下、以5℃/分钟的升温速率升温至400℃预炭化1小时，冷却至室温，得到原始生物炭。
[0018]一种实施方案，步骤b)中，碱性活化剂水溶液为0.05～0.3mol/L的KOH溶液。
[0019]一种实施方案，步骤b)中，升温速率是2～5℃/分钟。
[0020]一种实施方案，步骤b)中，惰性气体为氮气。
[0021]一种优选方案，步骤b)中，以5℃/分钟的升温速率先升温至200℃保温30分钟，再以5℃/分钟的升温速率升温至700℃高温活化2小时。
[0022]一种实施方案，步骤b)中，高温活化1～2小时，冷却至室温后取出活化样品，酸洗，水洗，干燥，得到活化复合生物炭。
[0023]一种优选方案，步骤b)中，是先使用稀盐酸(优选10wt％的盐酸)清洗5～10分钟后，再用水冲洗至pH为6.5～7.0。
[0024]一种实施方案，步骤c)中，导电剂为Super P或超导炭黑，黏结剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。
[0025]一种实施方案，步骤c)中，活化复合生物炭、导电剂、黏结剂混合按照8:1:1的质量比混合。
[0026]一种实施方案，步骤c)中，溶剂为乙醇。
[0027]一种实施方案，步骤c)中，20～60mg的由活化复合生物炭、导电剂、黏结剂组成的混合物加入1mL的溶剂搅拌混合均匀制成电极浆液。
[0028]一种实施方案，步骤c)中，集流体为石墨纸。
[0029]一种活化复合生物炭电极的应用，用于电容去离子中进行电吸附脱盐。
[0030]一种实施方案，进行脱盐处理时，电压为0.6～1.0V，电极间距本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种活化复合生物炭电极，其特征在于：是由含活化复合生物炭、导电剂、黏结剂的电极浆液涂覆在集流体上干燥而得；所述活化复合生物炭是由原始生物炭经碱性活化剂活化后，先于150～250℃保温处理，再于500～700℃高温活化处理而得；所述原始生物炭是由生物质原料于350～450℃预炭化处理而得；所述生物质原料是由虾壳和烟秆按照质量比1:1～1:3混合而得。2.一种权利要求1所述的活化复合生物炭电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：a)先将虾壳和烟秆分别破碎过筛，然后将得到的虾壳和烟秆粉末按照质量比1:1～1:3混合均匀得到生物质原料；再将生物质原料置于马弗炉中，在限氧条件下升温至350～450℃预炭化1～2小时，得到原始生物炭；b)将步骤a)制得的原始生物炭分散于碱性活化剂水溶液中搅拌2～8小时，过滤，干燥，然后将干燥后的样品置于管式炉中，在惰性气体保护下，先升温至150～250℃保温15～45分钟，再升温至500～700℃高温活化1～2小时，得到活化复合生物炭；c)将步骤b)制得的活化复合生物炭与导电剂和黏结剂混合，然后将得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：严丽丽，曾志虹，李光辉，饶品华，赵贞怡，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：