[发明专利]一种介孔电极的制备方法及其应用

说明书

技术领域

    本发明属于水处理电极材料的制备领域，特别涉及一种介孔电极的制备方法及其在水处理中的应用。

背景技术

活性炭是一种介孔炭，是由有机原材料（如木材、煤、动物骨头、沥青等）经过高温炭化和活化工艺制得。活性炭是一种具有发达孔隙结构、极大比表面积的惰性材料，因此它常常作为吸附剂在脱色、除臭、回收重金属及除有机物中应用。根据IUPAC分类，孔径小于2nm属于微孔，孔径介于2nm和50nm属于中孔，孔径大于50nm属于大孔。由于活性炭孔隙结构发达、比表面积大、化学稳定、导电等特点，使其适合在除盐及储能装置中作为电极材料。

电吸附除盐技术（电容去离子技术）是通过利用活性物质的高比表面积，水中的阴阳离子在通道中受到电场的作用，水中带电粒子分别向电性相反的电极迁移，被电极吸附并保存在双电层中，从而使水中的带电粒子在电极表面得到浓缩使水得到净化，在电极上不发生电子的得失，见图1。当电极短接或倒极时，双电层松散/相反，吸附的离子便被释放到水体中，而使电极得到再生，很明显地，比表面积大、大孔多、电阻小且价格低廉的无粘接剂电极在电容去离子中具有很重要的价值。

早在上世纪50年代，学者就开始研究用颗粒活性炭制备电极，但是由于活性炭颗粒在常规条件下不能结块，需要在粘接剂的情况下才能使活性炭颗粒接触而成型，粘接剂大部分是有机聚合物或者无机化学物质，其会堵塞活性炭大部分的孔道，这就很难使电极维持较高的比表面积和发达的孔隙结构。此外，大部分粘接剂是非导电材料，粘接剂的使用会破坏电极的导电性能。

当今活性炭电极是将酚类或其他种类树脂制备成一定形状后再经炭化活化而得。尽管该方法制备的电极具有很大的比表面积，但是在制备的过程中需要用到有毒的和环境不友好物质（如有机溶剂和芳香族物质）。此外，其制备成本高，材料强度弱和炭化过程中会变形收缩等都限制了它的发展。因此，需要更有效、更低廉、更环境友好的工艺来制备电极。

在上世纪50年代，热等静压技术被运用在金属工业中。热等静压技术是在特别的容器中，在高温下使用气体向容器内物体的各个方向施加均等高压的技术。在这样的温度和压力的条件下，材料内部的孔道及缺陷塌陷并粘接一起，其典型的操作温度是500℃-3000℃，压力为25000-60000psi。

发明内容

本发明不引入粘接剂而保留炭材料原有的特性，避开炭化预成型的有毒有害物质（酚类环氧树脂）来制备活性炭电极的复杂工艺，提供了一种简单的活性炭电极成型方法，可通过选择活性炭颗粒和热等静压的温度及压力，并添加碳纤维或石墨粉等来改变电极的介孔结构、导电性及其强度。

为达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种介孔电极的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：活性炭预处理：将颗粒活性炭研磨至70目-1000目后，水洗、烘干；

步骤2：活性炭装罐：将经预处理后的粉末活性炭装进容器中，抽真空脱气1-2h后将容器焊封；

步骤3：热等静压处理：将该容器在热等静压机中以温度为500℃-2000℃和压力为500-25000 psi下进行热等静压0.5-2h；

步骤4：热等静压后，以100℃/h-500℃/h的速率进行降温；

步骤5：将热等静压成型介孔炭电极机械加工成所需形状的电极片。

进一步，步骤1所述的颗粒活性炭比表面积为500-2000 m²/g，平均孔径为1.5-3.0nm。

进一步，步骤1所述的烘干温度为100-150℃。

进一步，步骤2所述的抽真空温度为100-300℃。

进一步，步骤1所述的颗粒活性炭研磨时添加有碳纤维或石墨粉，活性炭与碳纤维或石墨粉的质量比为2:1。

优选的，所述的石墨粉为500目石墨粉。

进一步，步骤5所述的机械加工为金刚石绳锯。

本发明所设计的介孔电机的使用方法为：将其运用于电吸附除盐、电解等水处理设备，进行电除盐、电解等水处理。

本发明介孔电极的特征是不但保留了活性炭原有比表面积，而且提高了导电性能，实现了通电情况下对水中离子的有效吸附，由于本发明制备介孔电极所用的材料是活性炭、石墨、碳纤维，没有使用任何有毒有害物质及有机和无机粘接剂，仅用高温高压的热等静压技术将活性炭粉末成型。因此不但不存在污染环境及破坏活性炭原材料特性的问题，而且有效地提高了电极的导电性。