低能耗电容去离子技术及其海水淡化应用研究

The capacitive deionization (CDI) is likely to be a new commercial seawater desalination technology in the near future, but there is still a shortness that the wildely studied carbon electrode has poor electrosorption performance in high-salinity water. This project, based on characteristic of pseudocapacitive material, will adopt surface polymerization methods to fabricate the porous carbon/polypyrrole composite material with good 'electrosorption' preporties for applied in seawater desalination. According to the important effect of the micro-structure on charge-discharge cyclic processes of pseudocapacitive electrode, some methods will be adopted to promote the permeability and storage capacity of pseudocapacitive electrode, e.g. adjustment of preparation process and pore size of carbon skeleton, addition of surfactants and 'ion-solubilizers' for ion penetration and diffusion, and depostion of nano-MnO2. The effects of preparation process, material composition, ion permeability, pore distribution on the 'electrosorption' capcity and rate of psrudocapacitive electrode will be researched. And the ion selectivity on pseudocapacitive electrode or mesoporous carbon electrode for different ion will also be explored. Finally, through the comprehensive optimization, a new CDI seawater desalination process based on pseudocapacitive electrode, mesoporous carbon electrode and energy recovery will be established.

电容去离子（CDI）是一种最有可能商业化的海水淡化新技术，但尚存在高盐度溶液中碳电极电吸附效率低的不足。本项目基于赝电容的优点，拟采用表面聚合法制备离子"吸附"性能优良的多孔碳/聚吡咯复合材料，以满足海水淡化应用需求。针对赝电容材料结构因素在其充放电过程中的重要作用，结合化学制备工艺的选择，通过调整碳骨架孔径以及引入表面活性剂、离子增渗剂、纳米高储能金属氧化物等提高复合电极的离子可渗透性和离子存储容量，研究高离子"吸附"电极的制备条件、材料组成、离子渗透能力、孔径分布等因素对其电"吸附"容量和速率的影响规律，对比分析赝电容电极、介孔碳电极对不同荷电离子的"吸附"选择性。并基于赝电容电极、介孔碳电极的电"吸附"特点以及能量回收技术，通过综合优化，提出一种低能耗电容去离子海水淡化新工艺。

电容去离子技术在低盐度水淡化方面，具有能耗低、电极再生简单等优点，已实现示范应用。拓展其在更高盐度地下苦咸水或海水淡化方面的应用，关键在于降低系统的脱盐能耗，其中高性能电极材料是研发的重要环节。在本项目中我们具体进行了以下研究工作：1）对国内外基于炭基多孔材料的电极性能关键参数（比电容、比表面积、平均孔直径、导电性等）进行了归纳和比较，分析了不同炭基电极材料的电容去离子脱盐效果差异及其影响机制；2）对比分析了化学气相沉积石墨烯电极和电化学一步制备聚吡咯/石墨烯复合电极结构特征及其充放电性能差异，并着重探讨了表面活性剂分子在电化学聚合过程中的作用，新电极材料在高负载量下的充放电容量可达1.286F/cm2，其在构筑高容量电极方面较无机氧化物更具优势；3）调研分析了限制炭基多孔电极在高浓盐水中的脱盐性能以及升压-降压直流转换能量回收单元在实际电容去离子系统中难以获得高能量回收效率的主要原因，但通过直流电压上叠加小幅值脉冲电压的方式，可提高多孔电极在中等盐度水体（TDS<10g/L）中的电吸附脱盐效率，并由此设计了电容去离子试验装置；4）将聚吡咯/活性炭复合电极与常规炭电极组装成非对称离子交换膜电容脱盐单元，并研究了该种复合材料对不同荷电量、水合半径离子的吸附性能差异，结果显示复合电极的离子吸附特性与其氧化还原过程中的孔径结构变化有关，而多价离子与复合电极间更强的静电作用力，可获得较高的去除效率。上述研究结果对促进炭基导电高分子复合材料在电容去离子领域的应用有重要的意义。