[发明专利]一种硝酸根选择性扩展电压电容去离子电极的制备及应用

说明书

本发明涉及一种硝酸根选择性的扩展电压电容去离子电极的制备及应用，属于水处理与资源化技术领域。采用负载有共价键型二甲基十八烷基[3‑(三甲氧基硅基)丙基]季铵阳离子基团，和硝酸氧化型羧基阴离子基团的活性炭电极的扩展电压电容去离子装置，对混合溶液中的硝酸根进行选择性吸附。本发明的电极装置，其吸附容量大大提高，相对于纯活性炭电极提升了140％。实现在混合溶液中的对硝酸盐的选择性吸附，选择性系数达到2.7，而纯活性炭电极的选择性系数为1.0。扩展电压电容去离子电极因为电极表面带有阴阳离子基团，防止在脱附过程中离子的吸附，同时降低了吸附过程中的能量消耗，因此增加了电极的电流效率。

技术领域

本发明涉及一种具备硝酸根选择性的扩展电压电容去离子电极的制备及应用，其属于水处理与资源化技术领域——电容去离子技术领域。具体涉及采用负载有共价键型二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]季铵阳离子基团，和硝酸氧化型羧基阴离子基团的活性炭电极的扩展电压电容去离子装置，对混合溶液中的硝酸根进行选择性吸附。

背景技术

总氮超标已经成为世界范围内的水环境污染问题，城市污水脱氮是目前维护城市水生态和水安全的重要措施。常用的污水脱氮技术如生物反硝化技术存在着碳源不足、占地面积大和处理效率低等缺点，同时它的处理成本较高并且受外界环境因素影响较大，因此迫切需要发展新型水处理脱氮技术。电容去离子技术(Capacitive deionization，CDI)是一项科技前沿的水处理技术，仅在2020年，就有接近3000篇关于电容去离子的研究论文被报道，越来越多国家和地区的研究者在关注着这一新型水处理技术。CDI技术的优势是占地面积小、装置简单和能耗较低。由于不需要额外的配套设施装置，CDI装置可以小型化和可携带式，因此在人员较少的地区或者家庭式集中化水处理领域将大有所为。

扩展电压电容去离子(Extended voltage-capacitance deionization，eV-CDI)是CDI技术中的一个新型分支。它是在阴阳电极分别负载阴阳离子基团并在吸附过程中施加电压。在吸附过程中，阴离子由于静电作用力向阳极移动，受到极板电压驱动的物理吸附力和阳离子基团驱动的交换吸附力双重作用；阳离子由于静电作用力向阴极移动，受到极板电压驱动的物理吸附力和阴离子基团驱动的交换吸附力双重作用。与传统的CDI技术只有单一的极板电压驱使的物理吸附力相比，eV-CDI技术赋予电极对溶液离子更强的吸附力。除此之外，由于极板上负载有阴阳离子基团，在脱附过程中，离子脱附后很难再吸附在相对的电极上，因此提高了电极的电荷效率，降低电极的能量消耗。

针对CDI技术的研究，目前主要研究领域为海水淡化、硬水软化和重金属离子去除等领域，研究内容大多为电极材料、电容去离子装置和外部参数条件对脱盐性能的影响。而对于特定离子的选择性吸附技术发展还在起步阶段，CDI选择性吸附是领域内的研究难点，因为传统的CDI技术是一种基于双电层的物理吸附技术，这种物理作用力很难区分溶液中的不同离子，所以常表现出吸附的无差异性、无选择性。此外，针对电容去离子对污水中硝酸根的去除研究更是少之又少，然而污水脱氮不仅有利于解决城市水环境问题，还能进行氮源回收，促进资源节约，对于建立“两型社会”、完成“碳中和”目标有着重大的现实意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种具备硝酸根选择性的扩展电压电容去离子电极。该电极的阴极阳极分别负载了硝酸氧化型羧基阴离子基团和共价键型二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]季铵阳离子基团。该扩展电压电容去离子电极在混合溶液中表现出对硝酸盐的大容量、快速率吸附，并且实现了很高的硝酸盐选择性。

一种具备硝酸根选择性的扩展电压电容去离子电极的制备，所述电极由阴阳极组成，阳极是负载共价键型二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]季铵阳离子基团的活性炭电极，阴极是负载了硝酸氧化型羧基阴离子基团的活性炭电极。

所述负载了共价键型二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]季铵阳离子基团的活性炭电极的制备方法包括以下步骤：