电吸附电极研究进展

林 珊，杨 子，李美兰

（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心 510530）

电吸附（Electrosorb Technology，简称EST）的定义是带电电极表面由于施加电流或电位极化而产生的吸附现象。同常规的吸附方式相比，电吸附主要极化吸附材料表面来操作界面电位，改变其吸附量和选择性，增大其吸附容量。电极之间施加的电压只用于驱动吸附，因此不会产生其他如电解水或离子沉淀等副反应，能耗小。

电吸附技术的机理是基于电化学双电层。双电层是由电量相等符号相反的两个电荷层构成，具有电容特性。电吸附处理废水过程中，废水从一端进入由阴阳电极组成的空间内，在电场空间流动时受到电场的作用，水中带电粒子分别被带相反电荷吸引，正电荷向阴极迁移，负电荷向阳极迁移，储存在电极的双电层中。随着电极吸附带电粒子越来越多，在电极表面富集，可以去除水中带电的盐类、胶体颗粒和其他带电物质。

1 电极材料研究进展

电吸附过程中，电极是电吸附装置最重要的组成部分，其选择至关重要，理论上比表面积越大，中孔率越高，抗极化能力越强越适合做为电极材料。目前使用最多的是多孔炭材料，主要原因在于炭材料经济适合，并且容易制备和市场购得，具备良好的比表面积和良好的化学稳定性。常用的有：活性炭、活性炭纤维、炭气凝胶、碳纳米材料电极。近年来，由于石墨烯材料的研究增多，也有学者将利用石墨烯制备电极用于电吸附。除上述多孔碳材料之外，金属氧化物和导电聚合物等也可用作电吸附电极制备材料，如在泡沫镍表面原位生长获得镍铝水化石薄膜经过热处理后作为吸附电极去除S2O32-[1]，或将金属氧化物与炭基材料复合，如通过电沉积等方式将其负载在炭材料上，其实际也属于对多孔炭材料的改性[2]。

以下主要对多孔炭材料吸附电极的研究进展进行分析。

1.1.1 活性炭

制备活性炭可由多种碳材料如木炭、煤、杏壳、谷壳等炭化后再活化所得。目前市场上所能购得的活性炭分为粉末活性炭（AC）、颗粒活性炭（GAC），活性炭具有较大的比表面积和吸附容量，并且价格较为低廉，这使得活性炭成为最常用的电极材料之一。

利用竹炭基活性炭电极电吸附去除水中金属离子。由于活性炭导电性能不佳，通常在制备电极过程中需加入导电增强材料以提高其导电性或结合其他材料制备循环性更好、选择性更高的复合电极[3]。制备了由正极活性材料、粘结剂和导电剂组成的电吸附正极，其中碳硫复合材料或金属硫化物为活性材料，导电剂用乙炔黑或超导炭黑，黏结剂为15%（质量分数）的聚偏氟乙烯溶液，其溶液中溶剂为N-甲基吡咯烷酮。

1.1.2 活性炭纤维(ACF)

活性炭纤维是以纤维素、聚丙烯腈、聚乙烯醇、人造丝等为原料，经碳化和活化制得，主要是以微孔、亚微孔为主，与活性炭相比具有更高的比表面积和吸附容量，吸附和脱附速度较快，有利于吸附分离。以酚醛树脂为原料，制备了中孔活性碳纤维和普通活性碳纤维，中孔活性碳纤维的比容明显大于普通活性碳纤维，说明大量的中孔的存在增加了有效双电层的形成或促进了离子在微孔中的运动。

1.1.3 炭气凝胶

炭气凝胶是一种新型的多孔碳材料，具有独特的纳米网络结构和高电导率，制备的电极不需要添加聚合物黏结剂，与活性炭相比，其表面积可以得到更好的利用，且静电吸附效率更高。

炭气凝胶电极材料主要集中在碳气凝胶的制备工艺。炭气凝胶及其有机气凝胶前驱体研究主要集中在美国和日本，而国内主要集中在高校研究中，包括中山大学、中国科学院山西煤炭化学研究所等单位。中国科学院山西煤炭化学研究所采用三聚氰胺、甲醛和水溶性酚醛树脂作为单体制备原料价低、窄孔径炭气凝胶，有机气凝胶和炭气凝胶的结构可控性更好，可调节范围更宽。在凝胶干燥方法上，除了超临界干燥方法，中山大学采用常压干燥法制备有机气凝胶和炭气凝胶，通过使用六亚甲基四胺加强炭骨架的强度，然后使用常压干燥制备出低密度炭气凝胶，减少了二氧化碳的排放，促进了炭气凝胶的规模化和工业化生产。天津大学申请了一种炭气凝胶的制备方法，原料为以煤沥青、石油沥青、中间相沥青、石油焦、针状焦和沥青焦其中的一种为前驱体制备的两亲性炭材料，其中用于制备两亲性炭材料的前驱体来源广泛，成本低；干燥过程使用常压干燥，节省设备成本；炭气凝胶制备周期短。

1.2.4 碳纳米材料

碳纳米材料主要包括碳纳米管、碳纳米纤维、纳米碳球等，其独特的孔隙结构、高比表面积利用率和良好的导电导热性能使其成为当前研究火热的电极材料。

在电吸附应用方面，将预处理后的碳纳米管与特定的粘结剂酚醛树脂或呋喃树脂球磨混合，热压成型碳化后制成碳纳米管电极片。碳纳米材料掺杂其他金属材料或与石墨烯等材料制备复合电极也是目前的研究热点，包括在碳纳米管上填充TiO2、将杂多钨酸盐/壳聚糖与碳纳米管形成三元复合膜修饰电极等。通过配制含乙酸钴和乙酸镍的氧化石墨烯-聚丙烯腈纺丝液,经静电纺丝技术制成碳纳米级纤维GO-PAN，预氧化和碳化处理GO-PAN 得到分级多孔碳纳米管/石墨烯-碳纳米纤维（CNTs/G-CNFs）复合材料，其电吸附脱盐能力高于CNFs 和G-CNFs 电极，最大除盐量达8.17 mg/g、除盐效率20.47%，具有优异的除盐性能和可再生循环吸附能力。

1.1.5 石墨烯

石墨烯，具有比表面积大、导电性高等优点，近年来在电容去离子中作为电极材料的潜力逐渐受到关注。采用高温水热法还原氧化石墨烯（GO）得到石墨烯水凝胶（GS）并经压片制得GS 电极，对GS 电极的电化学性能进行了测试，考察了GS 电极电吸附Pb2+的动力学和热力学特性，以及电极的脱附和循环使用情况，GS 电极的电化学性能优异。利用NaHSO3作为还原剂制备石墨烯气凝胶,利用二硫苏糖醇作为掺杂剂以及还原剂制备掺硫石墨烯气凝胶，两种材料均具有较好的循环再生性能。

2 结语

多孔炭材料仍然是目前主流的电吸附电极材料，其中活性炭或活性炭纤维材料价格低廉易获得，在产业上应用较多，如何选择更优的掺杂材料和掺杂方法，是今后活性炭电极的主要研究趋势。而其中石墨烯和碳纳米材料基体电极具有良好的循环使用性能和高吸附容量，是目前最具应用前景的一类电吸附电极，是今后电吸附电极研究的主要方向，而如何降低成本、实现批量生产，将是其实际应用的所需解决的主要问题。