利用黄麻杆制备活性炭电极用于电容去离子脱盐及重金属去除研究获进展

研究人员为解决淡水稀缺问题，开展黄麻杆衍生活性炭电极电容去离子（CDI）研究，发现其性能优异，助力水处理。

　　

研究背景：淡水危机催生新技术探索

随着全球工业化和城市化进程加速，淡水的需求正以每年 1.8% 的速度递增，预计到 2030 年，淡水供应与需求之间的差距将高达 40%。更严峻的是，当前可供安全饮用的淡水不足全球淡水总量的 3%。在发展中国家，工业废水肆意排放，大量含有重金属（如镍 Ni²⁺、钴 Co³⁺等）的污水流入环境，不仅破坏生态平衡，还严重威胁人类健康，因为重金属无法自然降解，还可能致癌。

为缓解淡水危机，科学家们不断探索从海水、微咸水和废水中获取淡水的技术。传统的脱盐技术，如反渗透（RO）和热蒸馏，虽然广泛应用，但存在成本高昂、能耗巨大的问题，例如，每立方米反渗透淡化水需要消耗 1.5 - 2.5 千瓦时的电力，而且在膜过滤过程中需要高压泵送水，这不仅增加了处理成本，还进一步加剧了能源消耗。因此，开发经济可行、高效节能的脱盐和离子去除技术迫在眉睫。

在这样的背景下，电容去离子（CDI）技术应运而生。CDI 基于离子电吸附原理，通过在电极表面形成双电层来吸附溶液中的离子，从而实现水的脱盐和去离子化。该技术具有环保、低能耗、可循环使用等优点，被视为下一代极具潜力的水脱盐解决方案。然而，电极材料的性能对 CDI 技术的效果起着决定性作用，因此寻找合适的电极材料成为研究的关键。

研究开展：孟加拉科研团队的探索

孟加拉工程技术大学和东南大学的研究人员 Md Shamim Alam、Abu Bin Imran 等人开展了一项研究，旨在探索利用黄麻杆制备活性炭（AC）电极用于电容去离子的可行性。研究成果发表在《Heliyon》上。

研究人员采用两种不同的方法合成活性炭电极：物理活化法（AC_pa）和物理化学活化法（AC_pc），并对这两种电极的结构、化学性质、电化学特性以及在电容去离子过程中的性能进行了全面研究。

研究方法：多技术助力电极性能探究

为了深入了解电极材料的性能，研究人员使用了多种先进的技术方法。

1. 材料表征技术：运用 Brunauer-Emmet-Teller（BET）表面面积测量、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、能量色散 X 射线光谱（EDX）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术，对合成的多孔活性炭材料的结构、表面形貌、元素组成和化学官能团进行详细分析。
2. 电化学测试技术：采用循环伏安法（CV）和恒电流充放电（GCD）实验，评估电极的电化学性能，包括电容行为、充放电效率和比电容等关键指标。
3. 电容去离子性能测试：通过测量电极在不同溶液（如 NaCl、NiCl₂、Co(NO₃)₃溶液）中的电导率变化，计算盐吸附容量（SAC）和平均盐吸附率（ASAR），以此评估电极在电容去离子过程中的脱盐和去除重金属离子的能力。

研究结果：AC_pc电极性能卓越

1. 表面形态和元素分析：FE-SEM 图像显示，AC_pa表面呈蜂窝状，有许多短孔结构；AC_pc表面则类似珊瑚结构，布满孔洞。这些独特的结构为离子吸附提供了丰富的活性位点。EDX 分析表明，两种电极的元素组成存在差异，AC_pc中含有 1% 的钾，这归因于其合成过程中使用了 KOH 作为活化剂。
2. FTIR 分析：FTIR 光谱显示，AC_pa和 AC_pc具有相似的吸收峰，但由于物理化学活化过程中的热处理和氮气通入，AC_pc中部分峰强度较低，这表明其化学结构发生了变化，可能影响电极的性能。
3. BET 表面面积分析：BET 分析结果显示，AC_pc的比表面积（1177 m²/g）远高于 AC_pa（523 m²/g），这意味着 AC_pc具有更多的活性位点，有利于离子吸附。
4. 电化学表征：CV 测试表明，两种电极在电化学扫描过程中均表现出非法拉第过程，具有电容行为。GCD 测试发现，AC_pc的充电和放电速度更快，比电容更高（在 0.5 A/g 电流密度下，AC_pc比电容为 161 F/g，AC_pa为 119 F/g）。
5. 电容去离子性能：在电容去离子实验中，AC_pc表现出更高的电吸附容量。在 100 ppm NaCl 溶液中，AC_pc的电吸附容量达到 53.5 mg/g，而 AC_pa为 39 mg/g；在去除重金属离子（Ni²⁺和 Co³⁺）时，AC_pc同样表现出色，在 100 ppm NiCl₂溶液中，其电吸附容量为 48.7 mg/g，在 100 ppm Co (NO₃)₃溶液中为 40 mg/g，均高于 AC_pa。

研究结论与意义：为水处理开辟新路径

研究表明，通过不同活化方法制备的黄麻杆衍生活性炭电极在电容去离子过程中表现出不同的性能。AC_pc电极由于其较大的比表面积、独特的表面形态和优异的电化学性能，在脱盐和去除重金属离子方面表现出卓越的能力。

该研究不仅为电容去离子技术提供了一种高效、可持续的电极材料，还为生物质废弃物的环保再利用开辟了新途径，有望推动环境修复和可持续水处理技术的发展。同时，研究结果也为进一步优化活性炭电极的制备工艺和提高电容去离子技术的性能提供了重要参考，为解决全球淡水危机和环境污染问题提供了新的思路和方法。