電吸附電極研究進展

林 珊，楊 子，李美蘭

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心 510530）

電吸附（Electrosorb Technology，簡稱EST）的定義是帶電電極表面由于施加電流或電位極化而產(chǎn)生的吸附現(xiàn)象。同常規(guī)的吸附方式相比，電吸附主要極化吸附材料表面來操作界面電位，改變其吸附量和選擇性，增大其吸附容量。電極之間施加的電壓只用于驅(qū)動吸附，因此不會產(chǎn)生其他如電解水或離子沉淀等副反應(yīng)，能耗小。

電吸附技術(shù)的機理是基于電化學雙電層。雙電層是由電量相等符號相反的兩個電荷層構(gòu)成，具有電容特性。電吸附處理廢水過程中，廢水從一端進入由陰陽電極組成的空間內(nèi)，在電場空間流動時受到電場的作用，水中帶電粒子分別被帶相反電荷吸引，正電荷向陰極遷移，負電荷向陽極遷移，儲存在電極的雙電層中。隨著電極吸附帶電粒子越來越多，在電極表面富集，可以去除水中帶電的鹽類、膠體顆粒和其他帶電物質(zhì)。

1 電極材料研究進展

電吸附過程中，電極是電吸附裝置最重要的組成部分，其選擇至關(guān)重要，理論上比表面積越大，中孔率越高，抗極化能力越強越適合做為電極材料。目前使用最多的是多孔炭材料，主要原因在于炭材料經(jīng)濟適合，并且容易制備和市場購得，具備良好的比表面積和良好的化學穩(wěn)定性。常用的有：活性炭、活性炭纖維、炭氣凝膠、碳納米材料電極。近年來，由于石墨烯材料的研究增多，也有學者將利用石墨烯制備電極用于電吸附。除上述多孔碳材料之外，金屬氧化物和導電聚合物等也可用作電吸附電極制備材料，如在泡沫鎳表面原位生長獲得鎳鋁水化石薄膜經(jīng)過熱處理后作為吸附電極去除S2O32-[1]，或?qū)⒔饘傺趸锱c炭基材料復合，如通過電沉積等方式將其負載在炭材料上，其實際也屬于對多孔炭材料的改性[2]。

以下主要對多孔炭材料吸附電極的研究進展進行分析。

1.1.1 活性炭

制備活性炭可由多種碳材料如木炭、煤、杏殼、谷殼等炭化后再活化所得。目前市場上所能購得的活性炭分為粉末活性炭（AC）、顆?；钚蕴浚℅AC），活性炭具有較大的比表面積和吸附容量，并且價格較為低廉，這使得活性炭成為最常用的電極材料之一。

利用竹炭基活性炭電極電吸附去除水中金屬離子。由于活性炭導電性能不佳，通常在制備電極過程中需加入導電增強材料以提高其導電性或結(jié)合其他材料制備循環(huán)性更好、選擇性更高的復合電極[3]。制備了由正極活性材料、粘結(jié)劑和導電劑組成的電吸附正極，其中碳硫復合材料或金屬硫化物為活性材料，導電劑用乙炔黑或超導炭黑，黏結(jié)劑為15%（質(zhì)量分數(shù)）的聚偏氟乙烯溶液，其溶液中溶劑為N-甲基吡咯烷酮。

1.1.2 活性炭纖維(ACF)

活性炭纖維是以纖維素、聚丙烯腈、聚乙烯醇、人造絲等為原料，經(jīng)碳化和活化制得，主要是以微孔、亞微孔為主，與活性炭相比具有更高的比表面積和吸附容量，吸附和脫附速度較快，有利于吸附分離。以酚醛樹脂為原料，制備了中孔活性碳纖維和普通活性碳纖維，中孔活性碳纖維的比容明顯大于普通活性碳纖維，說明大量的中孔的存在增加了有效雙電層的形成或促進了離子在微孔中的運動。

1.1.3 炭氣凝膠

炭氣凝膠是一種新型的多孔碳材料，具有獨特的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和高電導率，制備的電極不需要添加聚合物黏結(jié)劑，與活性炭相比，其表面積可以得到更好的利用，且靜電吸附效率更高。

炭氣凝膠電極材料主要集中在碳氣凝膠的制備工藝。炭氣凝膠及其有機氣凝膠前驅(qū)體研究主要集中在美國和日本，而國內(nèi)主要集中在高校研究中，包括中山大學、中國科學院山西煤炭化學研究所等單位。中國科學院山西煤炭化學研究所采用三聚氰胺、甲醛和水溶性酚醛樹脂作為單體制備原料價低、窄孔徑炭氣凝膠，有機氣凝膠和炭氣凝膠的結(jié)構(gòu)可控性更好，可調(diào)節(jié)范圍更寬。在凝膠干燥方法上，除了超臨界干燥方法，中山大學采用常壓干燥法制備有機氣凝膠和炭氣凝膠，通過使用六亞甲基四胺加強炭骨架的強度，然后使用常壓干燥制備出低密度炭氣凝膠，減少了二氧化碳的排放，促進了炭氣凝膠的規(guī)模化和工業(yè)化生產(chǎn)。天津大學申請了一種炭氣凝膠的制備方法，原料為以煤瀝青、石油瀝青、中間相瀝青、石油焦、針狀焦和瀝青焦其中的一種為前驅(qū)體制備的兩親性炭材料，其中用于制備兩親性炭材料的前驅(qū)體來源廣泛，成本低；干燥過程使用常壓干燥，節(jié)省設(shè)備成本；炭氣凝膠制備周期短。

1.2.4 碳納米材料

碳納米材料主要包括碳納米管、碳納米纖維、納米碳球等，其獨特的孔隙結(jié)構(gòu)、高比表面積利用率和良好的導電導熱性能使其成為當前研究火熱的電極材料。

在電吸附應(yīng)用方面，將預處理后的碳納米管與特定的粘結(jié)劑酚醛樹脂或呋喃樹脂球磨混合，熱壓成型碳化后制成碳納米管電極片。碳納米材料摻雜其他金屬材料或與石墨烯等材料制備復合電極也是目前的研究熱點，包括在碳納米管上填充TiO2、將雜多鎢酸鹽/殼聚糖與碳納米管形成三元復合膜修飾電極等。通過配制含乙酸鈷和乙酸鎳的氧化石墨烯-聚丙烯腈紡絲液,經(jīng)靜電紡絲技術(shù)制成碳納米級纖維GO-PAN，預氧化和碳化處理GO-PAN 得到分級多孔碳納米管/石墨烯-碳納米纖維（CNTs/G-CNFs）復合材料，其電吸附脫鹽能力高于CNFs 和G-CNFs 電極，最大除鹽量達8.17 mg/g、除鹽效率20.47%，具有優(yōu)異的除鹽性能和可再生循環(huán)吸附能力。

1.1.5 石墨烯

石墨烯，具有比表面積大、導電性高等優(yōu)點，近年來在電容去離子中作為電極材料的潛力逐漸受到關(guān)注。采用高溫水熱法還原氧化石墨烯（GO）得到石墨烯水凝膠（GS）并經(jīng)壓片制得GS 電極，對GS 電極的電化學性能進行了測試，考察了GS 電極電吸附Pb2+的動力學和熱力學特性，以及電極的脫附和循環(huán)使用情況，GS 電極的電化學性能優(yōu)異。利用NaHSO3作為還原劑制備石墨烯氣凝膠,利用二硫蘇糖醇作為摻雜劑以及還原劑制備摻硫石墨烯氣凝膠，兩種材料均具有較好的循環(huán)再生性能。

2 結(jié)語

多孔炭材料仍然是目前主流的電吸附電極材料，其中活性炭或活性炭纖維材料價格低廉易獲得，在產(chǎn)業(yè)上應(yīng)用較多，如何選擇更優(yōu)的摻雜材料和摻雜方法，是今后活性炭電極的主要研究趨勢。而其中石墨烯和碳納米材料基體電極具有良好的循環(huán)使用性能和高吸附容量，是目前最具應(yīng)用前景的一類電吸附電極，是今后電吸附電極研究的主要方向，而如何降低成本、實現(xiàn)批量生產(chǎn)，將是其實際應(yīng)用的所需解決的主要問題。