与椰壳相比，从松果中制备的蜂窝状多孔活性炭电极在膜电容去离子化过程中的应用

《Journal of Energy Storage》：Honeycomb-like porous activated carbon electrodes derived from pine cones compared with coconut shells in the membrane capacitive deionization

　　

阮鸿丹|陈乐柳

河内国家大学环境与资源研究所，越南胡志明市740500

摘要

农业副产品是制造用于膜电容去离子化（MCDI）脱盐技术电极的潜在材料。在本研究中，首次使用松果（PC-AC）制备了新型活性炭MCDI电极，并与传统的椰壳（CS-AC）基电极进行了对比。结果表明，PC-AC具有独特的蜂窝状多孔结构，微孔比高达81.80%，结晶度达到90%，而CS-AC则呈现传统的多孔结构。PC-AC的比表面积和功率密度分别为877.66 m².g^?1和9121.61 W.kg^?1，远高于CS-AC的624.43 m².g^?1和4662.01 W.kg^?1。值得注意的是，PC-AC电极表现出较高的离子扩散控制效率（伪电容）和比电容，分别达到91.10%和1562.22 F.g^?1，而CS-AC仅为52.37%和901.74 F.g^{?1?1，优于CS-AC的95.19%和28.6 mg.g?1}

引言

近年来，由于气候变化，沿海三角洲地区的海水入侵问题日益严重，导致饮用水短缺[1]，[2]。因此，需要寻找新的技术解决方案来解决这一问题。脱盐技术主要包括传统太阳能脱盐（SD）[3]、多级闪蒸蒸馏（MSF）或多效蒸馏（MED）[4]、反渗透结合离子交换膜（RO-IEM）[5]、电化学脱盐如电渗析（ED）或膜电容去离子化（MCDI）[6]等类型。其中，使用MCDI进行微咸水脱盐的技术受到了广泛研究[7]，[8]。由于其高水回收率、电极可再生性、环境友好性和低能耗（电压：1.0–2.0 V）[9]，[10]，它被认为是有效的淡水供应方案。MCDI电极是MCDI系统中最重要的组成部分[11]，[12]，[13]，在通过电双层（EDL）形成和离子扩散过程中起着关键作用；负电荷离子被吸附在阳极上，反之亦然。随后通过极性反转实现离子解吸，从而去除不需要的离子[7]，[14]，[15]。为了制备MCDI电极，将吸附剂材料混合物（电极浆料）涂覆在石墨板、铝片、铜箔和不锈钢等导电材料表面[7]，[16]。其中，石墨片由于其化学稳定性、低电阻和表面氧化限制，是制造脱盐电极的有效材料。电极浆料的制备需要将吸附剂材料（EDL）、粘合剂（树脂）和导电添加剂按标准质量比8:1:1混合[6]，[17]，因为这些因素直接影响MCDI系统的脱盐效率[6]。同时，源自农业副产品的EDL材料具有许多优点，如丰富性、耐腐蚀性和易获得性[6]，[7]，[16]，[18]。一些代表性研究包括：Li等人[19]探索了用Sophora japonica叶（经K₂CO₃活化）制备的活性炭（AC）去离子电极，比电容（SC）达到≥320 F.g^?1；Zheng等人[20]报道Pleurotus eryngii AC电极在40 A.g^?1电流下具有168 F.g^?1的比电容和350 W.kg^?1的功率密度。此外，还有其他农业副产品被用于MCDI电极的制备，如Gardenia jasminoides Ellis花[21]、核桃壳[18]、小麦壳[22]、枣榈废弃物[23]、枣榈叶[9]。还有一些其他材料，如碳纳米纤维气凝胶（CNA）[24]和CNFAs@FeOOH复合材料[25]也进行了研究。尽管近年来农业副产品在活性炭MCDI电极方面得到了广泛应用，但这些研究主要集中于评估其基本的物理化学和电化学性质。由于制备和操作条件的优化不足，往往导致盐吸附容量较低。

在本研究中，首次使用松果（PC）与传统椰壳（CS）制备MCDI电极，从而能够深入研究伪电容吸附机制。这些材料具有较高的碳含量，PC可达48.63%[26]，CS为52%[27]。特别是，PC可以生成具有特殊均匀结构的活性炭[26]。这些是选择PC和CS作为本研究材料的原因。此外，采用中心复合设计（RSM-CCD）中的响应面方法系统优化了制备和操作条件。在MCDI电极的制备中，使用了新型导电添加剂PowCarbon? CT17作为导电增强剂。还分析了PC-AC和CS-AC电极的物理化学和电化学性质，如孔隙率、晶体结构、化学官能团、导电性和循环稳定性。通过自动MCDI实验室规模系统评估了最优PC-AC和CS-AC电极的实际脱盐性能。

章节摘录

实验室规模测试模块

图1展示了用于电极测试的实验室规模MCDI系统，包括四个主要组件：(1)直流（DC）电源，为MCDI脱盐过程提供能量；(2)蠕动泵，用于向MCDI系统供应进水；(3)监测盐度参数的传感器模块；(4)MCDI单元由三个主要组件组成：电极、离子交换膜和间隔层，间隔层是系统中决定...

形态学

图3和S1（补充信息）显示了不同实验条件下（RSM-CCD）PC-AC和CS-AC样品的孔隙率。在PC-AC样品中，PC-AC-5、PC-AC-20、PC-AC-4、PC-AC-6、PC-AC-15和PC-AC-16在17%的化学浓度和540°C的高温度下活化时表现出较高的孔隙率。特别是PC-AC-05（17%，54分钟，540°C）和PC-AC-20（17%，80分钟，540°C）显示出独特的蜂窝状多孔结构，具有最高的孔隙率。

结论

与CS材料相比，使用PC制备的MCDI活性炭电极表现出更高的孔隙率，并具有独特的蜂窝状多孔结构。在最佳制备条件下，化学浓度为17.83%、活化时间为90分钟、活化温度为516.67°C（PC-AC）；CS分别为14.09%、90分钟和565.19°C（CS-AC）。PC-AC的电化学吸附效率非常突出

CRediT作者贡献声明

阮鸿丹：撰写——原始草稿、方法学、实验设计、数据分析、概念化。陈乐柳：撰写——审稿与编辑、项目监督、方法学、资金获取、概念化。

致谢

越南国家科学技术发展基金会（NAFOSTED）资助，资助编号为FWO.105-2022.03。