采用自支撑活性炭作为电极的超级电容除盐装置的制作方法

本发明涉及一种采用自支撑活性炭作为电极的超级电容除盐装置，属于超级电容器领域。

背景技术：

淡水资源是极其重要却稀缺的资源，目前获得淡水的一个重要途径是通过盐水的淡化。在众多盐水淡化技术中，电容去离子(cdi)技术具有的无污染、低能耗等优点，使其在水处理领域具有广阔的应用前景。通常，电容除盐技术的脱盐性能在很大程度上取决于电极，活性炭、碳纳米管、石墨烯、碳气凝胶和碳布等碳基材料均为cdi装置的理想电极。然而cdi电极的性能好坏不仅与电极材料有关，也与制备工艺密切相关。通常，cdi电极是通过将涂料刮涂到集流体上制成，此外还有蒸涂法和喷涂法。但是由于涂覆的cdi电极单位面积上的电极材料载量有限，因此上述方法存在两个缺点：首先是海水淡化性能不理想，其面积除盐量(saca)和体积除盐量(sacv)较低。其次，对于一定量的电极材料，较低的载量意味着较大面积的集流体，从而增加了生产成本。同时由于涂覆电极的电极材料和集流体是一体的，在长时间运作电极无法再生需要更换时，需要将电极材料和集流体共同更换，增加了运行成本。

为了解决上述问题，以前的研究中提出了超厚的cdi电极，以本身具有大尺寸特性的天然木材煅烧后用作自支撑的cdi电极，但只能应用于低浓度的盐水淡化(实验中盐溶液浓度为0.1g/l)。此外，活性炭布(acc)也可以直接用作自支撑的电极材料，但活性炭布的面积载量有限，且材料价格较高。对于木材碳电极和活性炭布电极，其自支撑特点是根据它们自身的大尺寸特性来实现的。另外一些研究致力于制备大块的自支撑cdi电极。可以采用化学气相沉积(cvd)法制备碳纳米管海绵，将其压缩后还原成柔性碳纳米管膜，无需进一步处理即可作为cdi电极。还有研究通过冷冻干燥和热处理相结合的方法，制备了层状3d石墨烯材料，并用作自支撑电极。但这些合成材料原料成本高，合成过程复杂且能耗高，不适合大规模应用。尽管这些天然或合成材料都可以作为自支撑的cdi电极，并具较好的脱盐性能。但其昂贵的成本，复杂的制备工艺，以及不适用于高浓度盐水等缺点，仍然使得这些材料不适合在电容除盐领域推广使用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决海水除盐存在的成本高以及体积利用效率低，从而不适合工业化的问题，提供一种采用自支撑三维活性炭作为电极的超级电容除盐装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

采用自支撑活性炭作为电极的超级电容除盐设备，包括：除盐装置、蠕动泵和直流电源；蠕动泵用于实现除盐过程盐水的循环；直流电源用于给设备供电；所述除盐装置包括：活性炭电极、隔膜和石墨纸集流体；隔膜两侧依次放置活性炭电极和石墨纸集流体，组装成型后构成一个单元；若干单元构成除盐装置；

所述集流体上可不涂覆活性炭。

所述活性炭电极的制备方法：

步骤一、将粉末状的活性炭和炭黑混合并搅拌均匀，得到固态原料；将酚醛树脂溶解于乙醇溶剂中，得到液态原料；所述活性炭、炭黑与酚醛树脂的质量比为10:2:6～8；

步骤二、将固态原料倒入液态原料中，搅拌均匀，得到悬浊液；

步骤三、将悬浊液置于80℃下加热直至得到活性炭块，真空烧结后得到活性炭电极；

步骤三所述加热方法还可以为：将悬浊液置于80℃下加热一段时间，然后升高温度，所述温度不高于130℃，直至得到活性炭块，800℃真空烧结后得到活性炭电极；

步骤三所述一段时间为10分钟。

有益效果

1、本发明首次采用简单的模板铸造法制备了自支撑活性炭电极，以市售ac为原料，酚醛树脂和乙醇分别作为粘结剂和溶剂。这种制备cdi电极的新方法具有成本低廉、操作简单等优点，具有良好的商业前景。

2、该自支撑电极具有质量载量高(超过50mg/cm²)，导电性、耐水性良好，孔结构合理等优点。在应用于除盐测试时，自支撑活性炭电极表现出良好的除盐性能和循环稳定性。自支撑电极同时具有高面积除盐量(saca)和高体积除盐量(sacv)，saca和sacv分别为0.49mg/cm²和2.48mg/cm³。

3、在此基础上，组装了包含6对自支撑活性炭电极的cdi电极堆，用于除盐中展现出很好的除盐能力。本发明提出将用模板铸造法制备的自支撑三维活性炭电极应用于超级电容除盐中，能有效提高电极载量和除盐过程的体积利用效率，且实现了电极材料和集流体的分离，降低了器件更换成本，有利于工业化生产。

附图说明

图1为不同形状的自支撑电极示意图；

图2为自支撑电极导电性测试示意图；

图3为自支撑电极耐水性测试示意图；a为蜂窝形电极的侧视图；b为圆形电极的侧视图；c为贝壳形电极的侧视图；d为蜂窝形电极的俯视图；e为圆形电极的俯视图；f为贝壳形电极的俯视图；

图4为自支撑活性炭电极的电镜图；

图5为自支撑电极的孔径分布曲线图；

图6为自支撑电极和涂覆电极在不同扫速下的循环伏安曲线图；

图7为自支撑电极的阻抗曲线图；

图8为自支撑电极在50ml盐水中的除盐过程盐水电导率变化图；

图9为自支撑电极和除盐装置示意；a为一个超级电容单元示意图；b为六个单元堆叠组件的示意图；c为除盐装置设备的示意图；d为电容除盐过程的示意图。

图10为自支撑电极堆叠组件在150ml的nacl溶液中除盐过程的盐水电导率变化图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

采用自支撑活性炭作为电极的超级电容除盐设备，包括：除盐装置、蠕动泵和直流电源；蠕动泵用于实现除盐过程盐水的循环；所述除盐装置包括：活性炭电极、隔膜和集流体；隔膜两侧依次放置活性炭电极和集流体，组装成型后构成一个单元；

所述集流体上可不涂覆活性炭。

所述自支撑活性炭电极的制备方法：

步骤一、将粉末状的活性炭和炭黑混合并搅拌均匀，得到固态原料；将酚醛树脂溶解于乙醇溶剂中，得到液态原料；所述活性炭、炭黑与酚醛树脂的质量比为10:2:7；

步骤二、将固态原料倒入液态原料中，搅拌均匀，得到悬浊液；

步骤三、将悬浊液置于80℃下加热直至得到活性炭块，真空烧结后得到活性炭电极；

步骤三所述加热方法还可以为：将悬浊液置于80℃下加热一段时间，然后升高温度，所述温度不高于130℃，直至得到活性炭块，800℃真空烧结后得到活性炭电极；

步骤三所述一段时间为10分钟。

如图1所示，采用上述方法可制得不同形状的自支撑三维活性炭电极；

制备的自支撑活性炭电极具有良好的导电性，万用表测试其电阻小于10ω，如图2所示；

制备的自支撑活性炭电极在水中具有良好的稳定性，浸泡一个月后仍保持完整形态，如图3a-f所示；

制备的自支撑活性炭电极中，由于粘结剂分散较好，活性炭材料的孔结构保持较好，如图4所示；

如图5所示，自支撑活性炭电极材料的微孔体积约为0.6cm³/g,具有较多的微孔结构，利于电容除盐；

如图6所示，两个质量均为0.6g的自支撑活性炭电极组成一个超级电容单元，在1m的nacl溶液中的循环伏安曲线中，高扫速下曲线为梭形，低扫速下曲线为矩形，其中扫速为1mv/s时的根据cv曲线积分计算得到的比电容为82.5f/g，表现出较好的电容特性；

如图7所示，两个质量均为0.6g的自支撑活性炭电极组成一个超级电容单元，在1m的nacl溶液中的阻抗测试中，高频区半圆x轴的交点坐标较小，证明电极的电荷转移电阻较小，低频区的曲线接近垂直，表明电极接近理想电容的情况，表现出良好的阻抗性能；

如图8所示，两个质量均为0.6g的自支撑活性炭电极组成一个超级电容单元在50ml浓度为1g/l的盐溶液中进行除盐测试，表现出良好的除盐性能和循环稳定性，自支撑电极同时具有高面积除盐量(saca)和高体积除盐量(sacv)，saca和sacv分别为0.49mg/cm²和2.48mg/cm³。

实施例2

采用自支撑活性炭作为电极的超级电容除盐装置，包括：除盐装置、蠕动泵和直流电源；蠕动泵用于实现除盐过程盐水的循环；所述除盐装置包括：活性炭电极、隔膜和集流体；隔膜两侧依次放置活性炭电极和集流体，组装成型后构成一个单元；六个单元构成除盐装置；

所述集流体上可不涂覆活性炭。

所述活性炭电极的制备方法：

步骤一、将粉末状的活性炭和炭黑混合并搅拌均匀，得到固态原料；将酚醛树脂溶解于乙醇溶剂中，得到液态原料；所述活性炭、炭黑与酚醛树脂的质量比为10:2:7；

步骤二、将固态原料倒入液态原料中，搅拌均匀，得到悬浊液；

步骤三、将悬浊液置于80℃下加热直至得到活性炭块，真空烧结后得到活性炭电极；

步骤三所述加热方法还可以为：将悬浊液置于80℃下加热一段时间，然后升高温度，所述温度不高于130℃，直至得到活性炭块，真空烧结后得到活性炭电极；

步骤三所述一段时间为10分钟。

如图9a所示，单个超级电容单元包括：活性炭电极、隔膜和集流体；隔膜两侧依次放置活性炭电极和集流体；

如图9b所示，六个超级单元构成除盐装置的电极堆；

如图9c所示，超级电容电极堆置于容积约90ml的装置中构成除盐装置；

如图9d所示，除盐装置组件、蠕动泵和直流电源共同构成除盐设备。

如图10所示，自支撑活性炭电极组成的六个超级电容单元在150ml浓度为1g/l的盐溶液中进行除盐测试，表现出良好的除盐性能，自支撑电极具有较高的体积除盐量(sacv)，sacv为2.01mg/cm³

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。