活性炭的电容去离子特性

　　由于水污染的蔓延，水资源短缺已成问题。从受污染的废水中获得清洁的淡水需要海水淡化技术。水处理厂已采用反渗透(RO)、电渗析和热蒸发等脱盐工艺。由于这些海水淡化技术消耗大量能源，其处理成本普遍较高。因此，电容去离子作为一种节能、经济的海水淡化技术，近年来备受关注。对于更广泛的工业应用，经常用于水处理过程的颗粒活性炭也满足作为电容去离子电极的表面积要求。在这项研究中，通过实验研究了将活性炭用于电容去离子电极的可能性。

　　电容去离子单元

　　使用活性炭作为电极的电容去离子电池的结构在图1显示。该电池由两个集电器、一个隔板和粒状活性炭组成。这些组件按照下集电器、活性炭、隔板、活性炭和上集电器的顺序堆积。上下集电器有出水口和进水口。石墨片和由纤维素制成的滤纸分别用于集电器和隔膜。对于活性炭电极，本研究中使用了椰壳活性炭。活性炭的粒径范围为0.5～1.7mm。使用压缩活性炭颗粒的电池压降约为4kPa。在之前的研究中，传统电容去离子电池的压降为138-276kPa(20-40psi)。假设压缩的活性炭比传统CDI电池的粉末碳层多孔。因此，预计使用压缩活性炭的CDI单元的进料泵比传统CDI单元消耗的能量要少得多。

　　图1：(a)使用活性炭作为电极的CDI电池的结构和(b)单程模式下CDI设备的示意图。

　　单程模式下的连续操作循环

　　使用图1所示的CDI单元进行连续操作。流入溶液是10mM NaCl aq。流入溶液的流速和在CDI池中的停留。在吸附步骤中，施加2.0V的恒定电压90分钟。在解吸步骤中，将电池电压短路120分钟，此时流出物的电导率几乎与流入物的电导率相同。进行四次吸附/解吸循环。为了评估每个循环的盐吸附容量，在每个单独的吸附/解吸循环中测量处理过的水箱和浓缩水箱中的Na+、Cl-浓度。

　　有压和无压除离子

　　离子去除实验中有无压力时电导率的时间变化如图2(a)所示。在1.2V施加压力(677kPa)的情况下，出水电导率迅速下降至0.73mS/cm，并在0.83mS/cm左右达到稳定状态。另一方面，当没有对电极施加压力时，流出物电导率保持在1.1mS/cm的初始值附近。离子去除实验中Na+和Cl-浓度随压力(677kPa)的时间变化也如图2(b)所示。由于Na+和Cl-浓度以与电导率相同的方式下降，认为电导率变化归因于Na+和Cl-离子的去除，并且在低于水电解理论电压(+1.23V)时没有发生水电解。

　　图2：在离子去除实验(电压1.2V，活性炭厚度10mm，进水10 mM NaCl aq，压力677kPa)期间，电导率和(b)Na+和Cl-浓度随时间的变化(a)。

　　外加电压对充电效率的影响

　　通过对活性炭层施加压力，在1.2V时显着提高了离子去除率。进一步研究了施加电压对盐吸附容量、电荷和充电效率的影响，以最大限度地提高CDI电池的性能，使用压缩活性炭而没有水电解。即使施加的电压高于1.23V，由于电化学反应的过电位和/或水溶液中的欧姆降，也不一定会发生水电解。当施加2.0V电压时，分别评估电池或水溶液中的欧姆降。根据测得的电流和无水溶液电池的电阻，估计无水溶液电池的欧姆降约为0.04V。然后，根据测得的电流和溶液的电导率，水溶液的欧姆降发现溶液约为0.70V。如果包括CDI电池隔膜和电化学反应活化电位的影响，则表明本研究中使用活性炭的CDI电池具有超过0.74V的过电压。因此，很可能在高于2.0V时开始发生水电解。

　　活性炭的电容去离子特性在这项研究中，我们研究了将活性炭用于电容去离子电极的可能性。考虑到取决于电极材料和电池构成的欧姆降，还通过实验评估了适用于具有压缩活性炭的CDI电池的施加电压。通过对活性炭电极施加压力，电阻是电容去离子脱盐的一个重要因素，因为活性炭层的电阻和活性炭颗粒之间的接触电阻都显着降低。本研究中CDI电池的离子去除有效。当对活性炭电极施加压力时，发现充电效率与现有的CDI电池相当。