一种自组装技术制备电吸附组件的方法
【专利摘要】本发明涉及一种自组装技术制备电吸附组件的方法。该电吸附组件制备机理如图示，(1)电极衬底、(2)吸附材料、(3)组装于吸附材料表面的长链状聚合物离子。利用吸附材料带有的丰富的官能团，在固体表面通过非共价作用均匀组装一层极薄的带同种电荷的长链状聚电解质薄膜。将两片分别带有正负电荷聚电解质薄膜的电极片与电源的正负极相联，用于电吸附脱盐实验时，由聚合物离子形成的正负电荷薄膜层可渗透带相反电荷的离子，同时排斥同种离子，大大加快离子吸附效率，显示了较强的脱盐能力。本发明具有表面组装层极薄、花费成本少，工艺流程短等优势，具有很好的工业应用前景。
【专利说明】—种自组装技术制备电吸附组件的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种自组装技术制备电吸附组件的方法【背景技术】
[0002]电容去离子技术(CapacitiveDeionization Technology, CDT)是基于双电层电容器原理进行充电脱盐和放电再生的一种全新的电吸附脱盐方法。当含有盐离子的水溶液从两片相对的施加了电压的电极中间流过时，由于电场的作用，阳离子向阴极电极方向移动，阴离子想阳极电极方向移动，使得水溶液中的盐离子被吸附在吸附材料的孔隙中形成双电层，从而降低了水溶液中的含盐率，实现了水的脱盐和净化，得到相对纯净的水。由于除盐过程中仅需要使用直流电，而将电极短路或者反接就可实现电极的循环再生，不需要使用大量的酸碱对电极进行清洗，因此不会产生二次污染物，具有节能、环保、高效且操作简单特点。
[0003]电极的活性炭多孔材料在应用活化法制备的过程，造就了大量的微孔(孔径小于2nm)，这些微孔的贡献了这种材料80%的比表面积。由于微孔孔径大小的限制，被吸附的离子在孔径中以双电层的形式储存时会产生叠加，不利于双电层的形成，从而会对脱盐率产生不利的影响。
[0004]当今的研究趋势是对原有的吸附材料进行加工修饰以期提高其吸附效率，或者是研究开发制备新的性能优异的吸附材料。在电极表面覆盖离子交换膜的膜电容去离子技术可选择性透过离子，排斥同种离子，阻止不必要的离子迁移，提高电吸附。发明专利(超电容式脱盐装置及其制造方法，申请号200780045835.7)较为全面的介绍了离子交换膜技术在电吸附的应用。CN01127147、CN01245554等专利使用的电吸附模块中，相对的电极板之间使用电解质隔膜将两电极隔开，放置接触短路。发明专利(一种带涂层电极吸附装置，申请号201310177914.0)公开了一种带涂层电极电吸附装置，涂敷在电极表面的离子交换涂层能阻隔特定电荷离子，降低能耗。
[0005]本发明提出一种自组装技术制备电吸附组件，在这种电吸附组件中，电极表面自行组装成聚离子层，行使离子交换膜的作用，同时拦截吸附部分离子。同之前公布的离子交换膜吸附装置相比，本发明具有表面组装层极薄、制备工艺极其简单、花费成本少等优点。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种分离效率高、制备过程简单且成本低廉的电吸附组件制备方法。
[0007]—种利用自组装技术制备吸附电极的方法，其特征在于:所制备的吸附电极包括
(I)电极衬底、(2)吸附材料和(3)组装于吸附材料表面的长链状聚合物离子；；该方法以长链状聚阴阳离子为溶质配制聚电解质溶液，利用吸附材料本身带有的官能团，所述的吸附材料包括多孔的带有正负电荷官能团的材料，在吸附材料表面通过非共价相互作用均匀组装一层聚电解质薄膜，制备成两片带有相异电荷薄膜的吸附电极分别于电源正负极相联。[0008]进一步，其中所述的电极表面组装的聚电解质薄膜的结构与厚度控制通过控制聚合物离子的用量来实现；其中所述的长链状聚合物阳离子分子量控制在50000~15000，；其中所述的长链状聚合物阴离子分子量控制在400，000~600，000，；聚合物离子溶液浓度控制在I~3mg/L ;在电极表面组装的聚电解质薄膜的厚度为50~IOOnm ；
[0009]更进一步，其中所述的长链状聚合物阳离子为聚苯乙烯磺酸钠，分子量Mw:50000~70000 ;其中所述的长链状聚合物阴离子为聚二甲基二烯丙基氯化铵，分子量Mw:400, 000 ~500，000。
[0010]进一步，其中所述的吸附材料包括活性炭、活性炭纳米管或石墨烯复合材料。
[0011]更进一步，其中活性炭带有的官能团指的是羧基、内酯基、酚羟基或羰基负电荷用于吸附组装聚阳离子TODA ;或氨基、酰亚胺基、内酰胺基或类酰胺基正电荷用于吸附组装聚阴离子PSS。
[0012]其中所述的电极衬底材料包括泡沫镍、泡沫钛、不锈钢网、碳纸、泡沫镍或石墨纸。
[0013]其中所述的带有相异电荷薄膜的吸附电极与电源正负极相联指的是表面组装聚阳离子TODA的电极片与正极相联；表面组装聚阴离子的PSS的电极片与负极相联。聚阴阳离子层在电吸附过程时行使离子交换膜的作用，可选择性渗透带相反电荷的离子，排斥同种离子，同时拦截吸附部分离子。
[0014]自组装技术是本发明的重要组成部分，其原理是通过相反电荷间非共价作用力形成的一种具有特定顺序的分子聚集体。其中非共价键的相互作用力或协同作用是自组装技术的关键。这种力包括 氢键、范德华力、静电力、疏水作用力和键等作用力。
[0015]本发明包括吸附材料。大多的吸附材料在制备过程中表面都会带有各种冠能团，例如活化方法制得的活性炭等材料表面常带有丰富的官能团(例如，负电荷的官能团:羧基、内酯基、酚羟基、羰基；正电荷的官能团:氨基、酰亚胺基、内酰胺基、类酰胺基)，符合本发明自组装技术对于相互作用力的要求。
[0016]根据本发明，一种自组装技术制备电吸附组件的方法，所述组件包括:a)表面自装了聚阳离子薄层的吸附电极山)亲水性的电解质隔膜；c)表面组装了聚阴离子薄层的吸附电极。
[0017]电吸附组件，还包括具有流速的供给流和用于控制流速的装置。还包括为制备的电吸附组件提供的电压源和用于改变所述电压的装置。所组装的电吸附组件具有极性，并且还包括用于反转所述极性的装置。这些装置为常规装置。
[0018]正负电荷组装层的优势是在无外力条件下可附着在电极表面形成一个宽松的具有极薄网络状薄膜，大大增加了吸附离子的接触部位，选择性的渗透相异离子，排斥同种电荷，提高了离子的有效迁移，同时也将一部分离子拦截在网络层内，从而提高了装置的除盐率。
[0019]本发明电极表面组装的聚电解质薄膜的结构与厚度控制可通过控制聚合物离子的用量来实现。其中所述的长链状聚合物阳离子分量控制在50000~15000，包括聚合物聚苯乙烯磺酸钠(PSS，分子量Mw: 50000~70000);其中所述的长链状聚合物阴离子分子量控制在400，000~600，000，包括聚二甲基二烯丙基氯化铵O3DDA,分子量Mw: 400，000~500, 000)。长链状聚合物离子的分子量过大或过小会使得组织的薄膜层过于致密和厚度过厚，这样会阻碍离子在组装层的透过和吸附作用，降低吸附效率。[0020]本发明聚合物离子溶液浓度控制在I~3mg/L。本发明取用聚合物离子溶液的量为20~50ml,控制在电极表面组装的聚电解质薄膜的厚度约为50~lOOnm。其厚度远远小于离子交换涂层技术所刮的膜厚度(1-1OOum)，但除能起到离子交换涂层同样的作用外，本发明超薄的组装膜更易于相异离子的渗透通过，还大大增加了吸附离子的接触部位，除盐率大大提闻。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是电极片表面自组装聚合物离子电荷层过程图；
[0022](I)电极衬底、⑵吸附材料、(3)组装于吸附材料表面的长链状聚合物离子。
[0023]图2是利用制备的吸附电极组装的电吸附组件的剖面图。
[0024](I)电极衬底、(2)吸附材料(3)组装于吸附材料表面的长链状聚合物离子层、(4)绝缘垫圈、(5)支撑板、(6)出液口、(7)进液口。
【具体实施方式】
[0025]本发明的具体工艺步骤为:
[0026](I)将吸附材料活性炭与一定量乙炔炭黑混合，增强其导电性，再在其中掺入聚四氟乙烯乳液，将材料黏在电极衬底上，压制成吸附材料紧密堆积，表面光滑的薄片，厚度约为0.5_。衬底材料可以选用多孔材料泡沫镍、泡沫钛、不锈钢网、碳纸、泡沫镍、石墨纸；具体可以采用但不局限于材料活性炭与乙炔炭黑以及聚四氟乙烯乳液质量比为75:15:10混
八
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[0027](2)将选用的聚合物阳离子I3DDA和聚合物阴离子PSS配制成lmg/mL浓度的溶液，量取20ml分别滴加在两片(I)中压好的片上，令其自行组装一层聚合物离子层，干燥。聚离子层的厚度约为50-100nm。
[0028](3)利用(2)中制备好的电极片组装吸附组件。其中表面组装聚阳离子薄层的电极片与电源正极相联，表面组装聚阴离子薄层的电极片与电源负极相联。
[0029]应用实例:
[0030]实例1:
[0031]使用本发明技术组装新型吸附组件，连接电源，电源正极与组装了聚阳离子层的一侧电极相联，电源负极与组装了聚阴离子层的一侧电极相联。首先，使用大量的去离子水对整个组件系统进行清洗，保证吸附结果的准确性。实验中控制电吸附电压为1.2v，控制吸附温度为25°C，进行电吸附脱盐性能测试。选用不同浓度的氯化钠溶液，浓度梯度设置为400、800、1600、3200、6400mg/L，作为待处理溶液，吸附过程设置为循环系统吸附，电吸附结果如下表所示:
【权利要求】
1.一种利用自组装技术制备吸附电极的方法，其特征在于:所制备的吸附电极包括(I)电极衬底、(2)吸附材料和(3)组装于吸附材料表面的长链状聚合物离子；该方法以长链状聚阴阳离子为溶质配制聚电解质溶液，利用吸附材料本身带有的官能团，所述的吸附材料包括多孔的带有正负电荷官能团的材料，在吸附材料表面通过非共价相互作用均匀组装一层聚电解质薄膜，制备成两片带有相异电荷薄膜的吸附电极分别于电源正负极相联。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述的电极表面组装的聚电解质薄膜的结构与厚度控制通过控制聚合物离子的用量来实现；其中所述的长链状聚合物阳离子分子量控制在50000~15000，;其中所述的长链状聚合物阴离子分子量控制在400，000~600，000,;聚合物离子溶液浓度控制在I~3mg/L ;在电极表面组装的聚电解质薄膜的厚度为50~lOOnm。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述的长链状聚合物阳离子为聚苯乙烯磺酸钠，分子量Mw:50000~70000 ;其中所述的长链状聚合物阴离子为聚二甲基二烯丙基氯化铵，分子量 Mw: 400，000 ~500，000。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述的吸附材料包括活性炭、活性炭纳米管或石墨烯复合材料。
5.如权利要求4所述的方法，其中活性炭带有的官能团指的是羧基、内酯基、酚羟基或羰基负电荷用于吸附组装聚阳离子TODA ;或氨基、酰亚胺基、内酰胺基或类酰胺基正电荷用于吸附组装聚阴离子PSS。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述的电极衬底材料包括泡沫镍、泡沫钛、不锈钢网、碳纸、泡沫镍或石墨纸。
【文档编号】C02F1/469GK103979650SQ201410209259
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月17日 优先权日:2014年5月17日
【发明者】孟庆函, 曹兵, 李纪涛, 潘凯 申请人:北京化工大学