1、 硕士研究生学位论文开题报告多孔硅复合电吸附电极材料制备及其 性能研究姓 名： 赵磊 班 级： 化研 102 班 学 号： 2001200491 专 业： 环境工程 导 师： 张翰 研 究 方 向： 电吸附水处理技术 东北电力大学研究生部制2013 年 11 月 9 日填表说明与要求1.开题时，报告人应向开题报告审查小组提供一定数量与论文选题直接相关的参考文献实物，具体数量由各学科专业自行确定。2.文献综述一般应包括选题的背景及研究意义、与论文选题相关的国内外研究的进展、现状、问题与发展趋势、本选题拟主要研究的内容及采取的研究方案、技术路线等等。文科不得少于 5000 字，理科不得少于 300
2、0 字。3.参考文献格式参照学位论文。4.论文开题时间一般应在入学后第三学期 11 月末之前完成。5.开题报告的格式和内容可根据学科专业特点作适当调整。 6.开题报告中的字体均用宋体五号字，用 A4 纸打印，于左侧装订成册。一、选题的背景及研究的目的和意义1 选题的背景 水资源短缺是全球面临的一个严重问题，我国面临着水资源的严重短缺 1，所以废水的再利用以及苦咸水淡化已引起了人们的高度重视，而除盐则是水处理的一个重要部分. 传统的除盐方法有蒸馏、离子交换、电渗析、反渗透等，但这些方法都有局限性，比如，蒸馏能耗较高;离子交换会产生二次污染 ;电渗析和反渗透的膜处理投资大，维护繁琐 . 电吸附除盐
3、2-4是近些年发展起来的一种新型水处理方法，是通过在电极表面施加电压或电流，使带电离子向相反的电极运动并吸附在电极上，从而达到除盐的目的. 相对于其他的水处理方法，电吸附具有投资少、能耗低、无二次污染、循环寿命长和再生容易等 优点，是一种既经济又有效的方法，因此，电吸附除盐在水处理中有着广阔的应用前景.电吸附的处理效果取决于电极材料。用于电吸附技术的电极材料通常具有如下特性：（1）比表面积大；（2）导电性能好；（3）化学和电化学稳定性好；（4）易于成型。与传统的电极材料石墨、活性炭、活性炭纤维、碳气凝胶和碳纳米管相比多孔硅具有更大的电容量4200 mAh.g-，更强的吸附性能，因此具有广阔的前
4、景。而多孔硅有电阻率较高的缺点，而与导电聚合物进行复合不仅能极大提高其导电性，还能增加其吸附容量。目前，多孔硅复合电吸附材料还尚未见报道。本课题由镁热还原法制得多孔硅，以聚苯胺为粘合剂复合金属铜，进而制得复合电极，有望得到一种导电性能良好、吸附容量高、除盐性能好的新型电极。2 研究的目的及意义2.1研究的目的本课题是利用镁热还原法制备多孔硅并以聚苯胺为粘合剂复合金属铜制得新型电极材料，进而提高电吸附容量。1).研究一种导电性能良好、吸附容量高、除盐性能好的新型电极材料。 2).考察聚苯胺加入量对电极吸附容量和除盐性能的影响；3)通过对电极的物理结构和电化学性能分析，进一步阐述聚苯胺加入量与吸附
5、容量的关系。2.2 研究的意义1).为解决淡水问题、水污染问题做出贡献；2).拓宽电极材料领域，提高电吸附效率。3).进一步开发多孔硅的用途，使其研究不断深入；综上所述，由镁热还原法制得多孔硅，以聚苯胺为粘合剂复合金属铜进而制得复合电极，有望得到一种导电性能良好、吸附容量高、除盐性能好的新型电极。二、本选题研究领域国内外的研究动态及发展趋势对电吸附技术的研究始于 20 世纪 60 年代，俄克拉荷马大学的研究人员利用电吸附原理，从略带碱性的水中去除了盐分 5。在 Caudle 等的报告中描述了使用多孔电极的电容去离子装置 6。Johnson 和 Newman 等的研究则包括验证过程的理论基础、参
6、数研究和对多种候选电极材料的评价 7。国外在电吸附应用方面取得研究成果最多的是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室，他们从上个世纪90年代，采用内部孔隙极多的炭气凝胶作为电极材料开发出来一套电容性除盐实验装置。虽然具有一定的除盐效果，但材料制作工艺复杂，制作成本很高，妨碍了这一技术的推广 8。 2003 年加拿大Enpar 公司开发出一系列的电吸附装置，其能选择性地去除水中的NH4+和NO 3-，能将NH 4+和NO 3-质量浓度分别为500、270 mg/L 的原水，处理至总氮质量浓度低于10 mg/L，得水率高达95%，并且经过连续3 个月的运行，去除率和得水率基本没有下降9。国内在电吸附技术的研
7、究起步比较晚，这方面的文献并不多见，国内陈福明、尹广军等1999 报道了用多孔大面积电极去除水中离子的方法，并对电吸附进行了一系列的理论和实验研究 10。杨慧云对 NaCl 溶液进行电容性除盐，结果分析表明，当溶液种类和浓度一定时，电极的吸附容量随外加电压的增加而增大，当溶液种类和外加电压确定后，吸附容量随着浓度的增加而增大，并达到一个极限值吸附 24。莫剑雄也尝试利用双电层电容的原理进行电吸附装置的研究 11。2000 年在留美回国的电吸附专家孙晓慰博士带领下，在江苏常州成立常州爱思特净化设备有限公司，并在北北京建立的国内第一个电吸附实验研究中心，开始了电吸附技术的研发应用，并在电极材料研制
8、、核心部件设计、系统控制和集成等方面钻研下，取得了突破性进展 12-15。从以研究的报道看来，电极的吸附容量和吸附速率与电极材料的比表面积、比电容、以及导电性能密切相关。2.1电极比表面积的发展动态肖书彬等 16通过研究活性炭负载量对电极比表面积的影响，探讨了一种提升炭电极电容去离子性能的有效方法。实验结果表明，增加活性炭负载量可有效提升电极比表面积，电极电容最高可达0.56 F/cm2，表现出较好的电容去离子性能。持续增加活性物质虽对电极内电阻影响较小，但不能进一步提高电极吸附表面，比电容急剧下降。优化电极孔隙结构是提升活性炭电极电吸附性能的有效方法。较高的电极比表面积有利于提升单位面积的离
9、子吸附量，表现出更好的脱盐率。郗丽娟 17等采用sol-gel 法制备了纳米ZnO-AC 电极，以提高电吸附容量。研究结果表明，AC 电极表面负载了一定量的纳米ZnO，其形态为棒状结构; 经比表面积测定，AC 电极比表面积从785 m2 /g 增加到 1120 m2 /g; 对KCl 的吸附试验表明，当极板有效面积 5 cm 5 cm，两极板间距0 5 cm，电压1 6 V，流速20 mL/min，原水为KCl 溶液，原水电导320 s /min 时，除盐效率达到 62 25%; 并且经过5 个循环，除盐效率基本没有降低，纳米ZnO-AC 电极表现出良好的重复使用性能。2.2电极比电容的发展动
10、态Lu等 18 采用界面修饰法合成了TPH/MnO 2介孔纳米复合材料，在10Ag -1高电流密度恒流充放电过程中的比电容达到285Fg -1，在2A g-1 电流密度下循环1000次后比容量仍保持97.3%，表现出优良的循环稳定性。Patil等 19 采用声化学方法在不锈钢基体上沉积Mn掺杂聚苯胺(PANI) 薄膜。在 1.0molL-1 H2SO4电解液中用循环伏安法测试电极材料的电化学性能，发现随着Mn含量的增多，电极材料的比电容从285Fg -1增加到474Fg -1。Sharma 等 20 研制出的超级电容器电极材料中采用聚苯乙烯磺酸（PSS）分散多层碳纳米管作为 PPY/MnO2复
11、合物的支撑材料，这种MWCNT-PSS/PPY/MnO 2纳米复合材料的电极在 0.5molL-1 MnO2电解质中的比电容高达412Fg -1，在 5mVs-1的扫描速率下循环5000 次电容量仅仅损失10% ，表现出良好的循环性能，他们认为PPY 与MnO 2的协同作用明显改善了复合材料的电化学特性。Ni等 采用一种原位聚合反应合成聚苯胺(PANI)/MnO 2纳米复合材料，通过形貌分析发现这种复合材料具有多孔结构，其中MnO 2颗粒（515nm）均匀分散在聚苯胺支撑物上，在0.5molL -1 H2SO4中性溶液中通过循环伏安和计时电位法测试电化学性能，结果表明这种电极材料在1.OAg-
12、1电流密度下的恒流充放电得到的比电容高达510Fg -1。Prasad等 21 首先在不锈钢基片上沉积一层聚苯胺，然后再进一步沉积MnO 2，通过调节聚苯胺薄膜厚度和MnO 2的沉积量，得到最优复合材料，其比电容高达715Fg -1，能量密度约200w hkg-1。SUN等 22 采用了共沉积法制备MnO 2/PANI复合电极材料，制备的MnO 2/PANI复合材料比单纯PANI薄膜结构更致密、有效面积更大，在-0.21.45V的电位范围下通过循环伏安法测试，其比电容可达到532Fg-1，充放电 1200次后，电容保持率在76%以上，库仑效率仍维持在 97.5%左右。多孔硅的电容能达到4200
13、mAh.g- ，但在电吸附电极材料中还未见报道。2.3电极导电性能的发展动态刘红 23在活性炭粉末中添加膨胀石墨制备复合电极，提高了电极整体的导电性，同时改变活性炭颗粒间的接触方式，有效的利用了活性炭表面吸附位，实现电极的脱盐性能的增强。在正负电极前分别加入阴阳离子交换膜组构筑膜电极，当溶液浓度较高时，离子交换膜复合炭电极脱盐量增加了50% ，电流效率增加了17% ，同时复合炭电极的循环再生性能得到极大的改善。张波 24等研究了炭气凝胶/TiO2复合材料的组坑以及电容器多次循环后的阻坑，但除了复合材料阻抗小，说明电解液能在炭气凝胶内较快移动，材料孔隙率利用率高，离子扩散阻力小，且在多次充放电后
14、，电阻值改变不大。 多孔硅和纳米导电集合物均具有较大的比表面积，多孔硅的电容能达到4200mAh.g-，多孔硅里导电聚合物复合铜以后具有较好的导电性能，但其复合电极在超级电容器和电吸附电极中还未见报道。三、本选题拟主要研究的内容及采取的研究方案、技术路线3.1 研究的内容1）多孔硅复合电极比表面积对吸附性能的影响。2）多孔硅复合电极比电容对吸附性能的影响。3）多孔硅复合电极导电性能对吸附性能的影响。4）3.2 研究方案3.2.1 多孔硅复合电极的结构表征SEM 表征，XRD 表征，测定多孔硅比表面积大小，与传统电极材料对比得出结论。3.2.2 多孔硅复合电极电极的电化学性能测试循环伏安法，交流
15、阻抗测试(EIS)，测定电极材料的电阻。3.2.3 多孔硅比电容性能测试用恒电流充放电法测试测试复合电极材料的比电容以及循环寿命，根据对材料的估计，通过对电化学工作站控制充放电过程的电流密度控制电流数值不变，对材料进行充电和放电测试，得到电极材料充放电曲线，能较好的侧的电极材料的比电容。3.3 技术路线多孔硅复合电极结构表征 比电容 电化学性能SEM SRD 哼电流充放电法 循环伏安法 EIS 比表面积大小 比电容大小 电阻率多孔硅复合电极材料性能多孔硅复合电极材料除盐性能4、本选题在研究过程中可能遇到的困难和问题，提出解决的初步设想研究过程可能遇到的问题以及解决办法：1 电脱附时间短而造成电
16、吸附效率和电极重复利用率下降，时间过长引起离子反相吸附。解决办法：吸附过程完成后，电极反接，控制一系列电极反接时间，测定脱落后溶液离子浓度确定范姐时间。2 制备的电极为板状，因正负电极间距一般小于 1cm，因其太小而不容易控制，且易发生短路。解决办法：自制电吸附装置，使电极位置固定且电极间距可调。五、本选题研究的进度安排及预期达到的目标5.1 进度安排 1）2013.092013.10 查阅文献，调研，进行实验准备，验证实验的可行性； 2）2013.112014.01 制备多孔硅复合电极并进行结构表征和电化学性能测试以及比电容性能测试； 3）2014.032014.04 组装成电吸附组装，确定
17、最佳实验参数； 4）2014.052014.06 考察聚苯胺加入量对电极吸附容量和除盐性能的影响； 5）2014.092014.10 分析实验，总结实验整体效果；查漏补缺，对项目进行整理，修改，补充； 6）2014.112015.03 撰写学位论文，准备毕业答辩。5.2 预期达到的目标经过摸索，试验，制备出最佳条件下的多孔硅复合电极，并组装成电吸附装置，拥有自主知识产权，应用在实际水处理中。在 国 际 国 内 重 要 学 术 期 刊 发 表 研 究 论 文 1 2 篇 。6、参考文献1王芝国, 钱振水.重视再生水利用, 建设节水型社会 .北京, 2009.2董晓宁, 王亚丽. 电吸附技术在水处
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21、业水处理, 2008, 28(3): 5-8.11Yoram Oren. Capacitive deionization(CDI) for desalination and water treatment-past, present and future(a review)J. Desalination, 2008, 228: 10-29.12Zhang Lili, Zhao X. Carbon-based materials as supercapacitor electrodesJ. Chemical Society Reviews, 2009, 38(6): 2520 -2531.13J
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25、 deionization applicationsJ. Journal of Membrane Science, 2010, 355: 8590.20Sharma-Jin Kim, Jae-Hwan Choi. Enhanced desalination efficiency in capacitive deionization an ion- selective membranceJ. Purification Technology, 2010, (71): 70-75. 21Prasad K. Desalination technology could clean up wastewat
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