[發明專利]一種硝酸根選擇性擴展電壓電容去離子電極的制備及應用

有效

• 申請號: 202110503314.3
• 申請日: 2021-05-10
• 公開（公告）號: CN113213599B
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發明（設計）人: 李克勛;岑本強
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H01M4/02
• 分類號: H01M4/02;C02F101/16;C02F101/38
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 廖曉榮

1.一種硝酸根選擇性擴展電壓電容去離子電極，其特征在于：該擴展電壓電容去離子電極的陽極是負載有共價鍵型二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]季銨陽離子基團的活性炭電極，陰極是負載有硝酸氧化型羧基陰離子基團的活性炭電極，前者為陽極后者為陰極共同組成了擴展電壓電容去離子裝置，實現對混合溶液中硝酸鹽的選擇性吸附；

所述負載有共價鍵型二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]季銨陽離子基團的活性炭電極的制備方法如下：

(a)將1-3 g商業活性炭粉末加入300-500 mL去離子水中，使用磁子攪拌器進行攪拌30-50 min，轉速為100-30 r/min，然后靜置5-10 min，待固液分層后，倒掉上層清液，加水至300-500 mL，重復攪拌步驟，反復3-6次，控制清液的pH在7、出水電導率在10 μs/cm以下，將固體粉末過濾，放入烘箱中在80℃下真空干燥4-8 h，得到預處理碳；

(b)取上述得到的預處理碳1-2 g放入燒杯中，加入1-10 mL二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]氯化銨溶液和40-100 mL去離子水；將上述混合物放在水浴鍋中加熱攪拌，溫度為60-100℃，攪拌速率為100-500 r/min；每隔3-4小時攪拌10-20 min，總反應時長為24-48 h；反應結束后，將所得的固體過濾，并經過去離子水和乙醇洗滌3-6次后，放入干燥箱以60-80℃干燥4-8 h，得到負載了共價鍵型二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]季銨陽離子基團的活性炭；

(c)將上述共價鍵型季銨陽離子化活性炭和炭黑以5:1到10:1的比例混合均勻，加入適量的乙醇溶液，在超聲狀態下震蕩5-20 min，再加入0.1-0.5 mg聚四氟乙烯乳液，繼續放入超聲中震蕩；20-40 min后將得到的固體膠狀物質壓制在鈦網上；放入烘箱中在80-120℃下干燥4-8 h，得到負載有共價鍵型二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]季銨陽離子基團的活性炭電極;

所述負載有硝酸氧化型羧基陰離子基團的活性炭電極的制備方法如下：

(A)將1-3 g商業活性炭粉末加入300-500 mL去離子水中，使用磁子攪拌器進行攪拌30-50 min，轉速為100-300 r/min，然后靜置5-10 min，待固液分層后，倒掉上層清液，加水至300-500 mL，重復攪拌步驟，反復3-6次，控制清液的pH在7、出水電導率在10 μs/cm以下，將固體粉末過濾，放入烘箱中在60-100℃下真空干燥4-8 h，得到預處理碳；

(B)將濃硝酸（8-12 mol/L）用去離子水稀釋5-10倍，得到稀釋硝酸溶液；取5-10 g預處理碳粉末，加入到稀釋硝酸溶液中，以200-500 r/min的速度攪拌在室溫下攪拌10-30 h；將得到的固體用去離子水過濾洗滌，放入80-120℃烘箱中干燥4-10 h，得到負載有硝酸氧化型羧基陰離子基團的活性炭;

(C)將硝酸氧化型羧基陰離子化活性炭和炭黑以5:1到10:1的比例混合均勻，加入10-30 mL的乙醇溶液，在超聲狀態下震蕩5-20 min，再加入0.1-0.5 mg聚四氟乙烯乳液，繼續放入超聲中震蕩；20-40 min后將得到的固體膠狀物質壓制在鈦網上；放入烘箱中在80-120℃下干燥4-8 h，得到負載有硝酸氧化型羧基陰離子基團的活性炭電極。

2.根據權利要求1所述的硝酸根選擇性擴展電壓電容去離子電極，其特征在于：所述商業活性炭粉末的比表面積在1500-1800 m²/g。

3.根據權利要求1所述的硝酸根選擇性擴展電壓電容去離子電極，其特征在于：所用的二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]氯化銨，其含有特殊的三甲氧基硅基，通過硅烷化反應使得陽離子基團以共價鍵連接負載在活性炭表面。

4.根據權利要求1所述的硝酸根選擇性擴展電壓電容去離子電極的應用，其特征在于，包括以下步驟：

（1）將負載有共價鍵型二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]季銨陽離子基團的活性炭電極作為陽極，負載有硝酸氧化型羧基陰離子基團的活性炭電極作為陰極，陰陽兩極組裝為擴展電壓電容去離子裝置，陰陽極板間距為2-10 mm，電極片大小為5*5-10*10 cm，采用下進上出式流通方式；將擴展電壓電容去離子裝置與蠕動泵、循環槽串聯，在陰陽極之間施加0.4-1.2 V電壓，溶液流速為10-100 mL/min，循環溶液采用100-500 mL硝酸鈉/氯化鈉混合溶液，混合溶液的濃度為5-10 mM；

（2）每隔10-30 min采用移液槍吸附0.1-0.4 mL溶液并進行稀釋，使用離子色譜儀檢測循環槽內硝酸根和氯離子濃度，確定電極的吸附容量；總吸附時間為100-360 min，待電極達到吸附平衡后，反接電極進行脫附，反接電壓為0.4-1.2 V，脫附時間為 90-270 min。