[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

本發明涉及一種硝酸根選擇性的擴展電壓電容去離子電極的制備及應用，屬于水處理與資源化技術領域。采用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，和硝酸氧化型羧基陰離子基團的活性炭電極的擴展電壓電容去離子裝置，對混合溶液中的硝酸根進行選擇性吸附。本發明的電極裝置，其吸附容量大大提高，相對于純活性炭電極提升了140％。實現在混合溶液中的對硝酸鹽的選擇性吸附，選擇性系數達到2.7，而純活性炭電極的選擇性系數為1.0。擴展電壓電容去離子電極因為電極表面帶有陰陽離子基團，防止在脫附過程中離子的吸附，同時降低了吸附過程中的能量消耗，因此增加了電極的電流效率。

技術領域

本發明涉及一種具備硝酸根選擇性的擴展電壓電容去離子電極的制備及應用，其屬于水處理與資源化技術領域——電容去離子技術領域。具體涉及采用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，和硝酸氧化型羧基陰離子基團的活性炭電極的擴展電壓電容去離子裝置，對混合溶液中的硝酸根進行選擇性吸附。

背景技術

總氮超標已經成為世界范圍內的水環境污染問題，城市污水脫氮是目前維護城市水生態和水安全的重要措施。常用的污水脫氮技術如生物反硝化技術存在著碳源不足、占地面積大和處理效率低等缺點，同時它的處理成本較高并且受外界環境因素影響較大，因此迫切需要發展新型水處理脫氮技術。電容去離子技術(Capacitive deionization，CDI)是一項科技前沿的水處理技術，僅在2020年，就有接近3000篇關于電容去離子的研究論文被報道，越來越多國家和地區的研究者在關注著這一新型水處理技術。CDI技術的優勢是占地面積小、裝置簡單和能耗較低。由于不需要額外的配套設施裝置，CDI裝置可以小型化和可攜帶式，因此在人員較少的地區或者家庭式集中化水處理領域將大有所為。

擴展電壓電容去離子(Extended voltage-capacitance deionization，eV-CDI)是CDI技術中的一個新型分支。它是在陰陽電極分別負載陰陽離子基團并在吸附過程中施加電壓。在吸附過程中，陰離子由于靜電作用力向陽極移動，受到極板電壓驅動的物理吸附力和陽離子基團驅動的交換吸附力雙重作用；陽離子由于靜電作用力向陰極移動，受到極板電壓驅動的物理吸附力和陰離子基團驅動的交換吸附力雙重作用。與傳統的CDI技術只有單一的極板電壓驅使的物理吸附力相比，eV-CDI技術賦予電極對溶液離子更強的吸附力。除此之外，由于極板上負載有陰陽離子基團，在脫附過程中，離子脫附后很難再吸附在相對的電極上，因此提高了電極的電荷效率，降低電極的能量消耗。

針對CDI技術的研究，目前主要研究領域為海水淡化、硬水軟化和重金屬離子去除等領域，研究內容大多為電極材料、電容去離子裝置和外部參數條件對脫鹽性能的影響。而對于特定離子的選擇性吸附技術發展還在起步階段，CDI選擇性吸附是領域內的研究難點，因為傳統的CDI技術是一種基于雙電層的物理吸附技術，這種物理作用力很難區分溶液中的不同離子，所以常表現出吸附的無差異性、無選擇性。此外，針對電容去離子對污水中硝酸根的去除研究更是少之又少，然而污水脫氮不僅有利于解決城市水環境問題，還能進行氮源回收，促進資源節約，對于建立“兩型社會”、完成“碳中和”目標有著重大的現實意義。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供了一種具備硝酸根選擇性的擴展電壓電容去離子電極。該電極的陰極陽極分別負載了硝酸氧化型羧基陰離子基團和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。該擴展電壓電容去離子電極在混合溶液中表現出對硝酸鹽的大容量、快速率吸附，并且實現了很高的硝酸鹽選擇性。

一種具備硝酸根選擇性的擴展電壓電容去離子電極的制備，所述電極由陰陽極組成，陽極是負載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，陰極是負載了硝酸氧化型羧基陰離子基團的活性炭電極。

所述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電極的制備方法包括以下步驟：