林 珊，楊 子，李美蘭

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心 510530）

電吸附（Electrosorb Technology，簡(jiǎn)稱EST）的定義是帶電電極表面由于施加電流或電位極化而產(chǎn)生的吸附現(xiàn)象。同常規(guī)的吸附方式相比，電吸附主要極化吸附材料表面來(lái)操作界面電位，改變其吸附量和選擇性，增大其吸附容量。電極之間施加的電壓只用于驅(qū)動(dòng)吸附，因此不會(huì)產(chǎn)生其他如電解水或離子沉淀等副反應(yīng)，能耗小。

電吸附技術(shù)的機(jī)理是基于電化學(xué)雙電層。雙電層是由電量相等符號(hào)相反的兩個(gè)電荷層構(gòu)成，具有電容特性。電吸附處理廢水過(guò)程中，廢水從一端進(jìn)入由陰陽(yáng)電極組成的空間內(nèi)，在電場(chǎng)空間流動(dòng)時(shí)受到電場(chǎng)的作用，水中帶電粒子分別被帶相反電荷吸引，正電荷向陰極遷移，負(fù)電荷向陽(yáng)極遷移，儲(chǔ)存在電極的雙電層中。隨著電極吸附帶電粒子越來(lái)越多，在電極表面富集，可以去除水中帶電的鹽類、膠體顆粒和其他帶電物質(zhì)。

1 電極材料研究進(jìn)展

電吸附過(guò)程中，電極是電吸附裝置最重要的組成部分，其選擇至關(guān)重要，理論上比表面積越大，中孔率越高，抗極化能力越強(qiáng)越適合做為電極材料。目前使用最多的是多孔炭材料，主要原因在于炭材料經(jīng)濟(jì)適合，并且容易制備和市場(chǎng)購(gòu)得，具備良好的比表面積和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。常用的有：活性炭、活性炭纖維、炭氣凝膠、碳納米材料電極。近年來(lái)，由于石墨烯材料的研究增多，也有學(xué)者將利用石墨烯制備電極用于電吸附。除上述多孔碳材料之外，金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物等也可用作電吸附電極制備材料，如在泡沫鎳表面原位生長(zhǎng)獲得鎳鋁水化石薄膜經(jīng)過(guò)熱處理后作為吸附電極去除S2O32-[1]，或?qū)⒔饘傺趸锱c炭基材料復(fù)合，如通過(guò)電沉積等方式將其負(fù)載在炭材料上，其實(shí)際也屬于對(duì)多孔炭材料的改性[2]。

以下主要對(duì)多孔炭材料吸附電極的研究進(jìn)展進(jìn)行分析。

1.1.1 活性炭

制備活性炭可由多種碳材料如木炭、煤、杏殼、谷殼等炭化后再活化所得。目前市場(chǎng)上所能購(gòu)得的活性炭分為粉末活性炭（AC）、顆?；钚蕴浚℅AC），活性炭具有較大的比表面積和吸附容量，并且價(jià)格較為低廉，這使得活性炭成為最常用的電極材料之一。

利用竹炭基活性炭電極電吸附去除水中金屬離子。由于活性炭導(dǎo)電性能不佳，通常在制備電極過(guò)程中需加入導(dǎo)電增強(qiáng)材料以提高其導(dǎo)電性或結(jié)合其他材料制備循環(huán)性更好、選擇性更高的復(fù)合電極[3]。制備了由正極活性材料、粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑組成的電吸附正極，其中碳硫復(fù)合材料或金屬硫化物為活性材料，導(dǎo)電劑用乙炔黑或超導(dǎo)炭黑，黏結(jié)劑為15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的聚偏氟乙烯溶液，其溶液中溶劑為N-甲基吡咯烷酮。

1.1.2 活性炭纖維(ACF)

活性炭纖維是以纖維素、聚丙烯腈、聚乙烯醇、人造絲等為原料，經(jīng)碳化和活化制得，主要是以微孔、亞微孔為主，與活性炭相比具有更高的比表面積和吸附容量，吸附和脫附速度較快，有利于吸附分離。以酚醛樹脂為原料，制備了中孔活性碳纖維和普通活性碳纖維，中孔活性碳纖維的比容明顯大于普通活性碳纖維，說(shuō)明大量的中孔的存在增加了有效雙電層的形成或促進(jìn)了離子在微孔中的運(yùn)動(dòng)。

1.1.3 炭氣凝膠

炭氣凝膠是一種新型的多孔碳材料，具有獨(dú)特的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和高電導(dǎo)率，制備的電極不需要添加聚合物黏結(jié)劑，與活性炭相比，其表面積可以得到更好的利用，且靜電吸附效率更高。

炭氣凝膠電極材料主要集中在碳?xì)饽z的制備工藝。炭氣凝膠及其有機(jī)氣凝膠前驅(qū)體研究主要集中在美國(guó)和日本，而國(guó)內(nèi)主要集中在高校研究中，包括中山大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所等單位。中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所采用三聚氰胺、甲醛和水溶性酚醛樹脂作為單體制備原料價(jià)低、窄孔徑炭氣凝膠，有機(jī)氣凝膠和炭氣凝膠的結(jié)構(gòu)可控性更好，可調(diào)節(jié)范圍更寬。在凝膠干燥方法上，除了超臨界干燥方法，中山大學(xué)采用常壓干燥法制備有機(jī)氣凝膠和炭氣凝膠，通過(guò)使用六亞甲基四胺加強(qiáng)炭骨架的強(qiáng)度，然后使用常壓干燥制備出低密度炭氣凝膠，減少了二氧化碳的排放，促進(jìn)了炭氣凝膠的規(guī)?；凸I(yè)化生產(chǎn)。天津大學(xué)申請(qǐng)了一種炭氣凝膠的制備方法，原料為以煤瀝青、石油瀝青、中間相瀝青、石油焦、針狀焦和瀝青焦其中的一種為前驅(qū)體制備的兩親性炭材料，其中用于制備兩親性炭材料的前驅(qū)體來(lái)源廣泛，成本低；干燥過(guò)程使用常壓干燥，節(jié)省設(shè)備成本；炭氣凝膠制備周期短。

1.2.4 碳納米材料

碳納米材料主要包括碳納米管、碳納米纖維、納米碳球等，其獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)、高比表面積利用率和良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能使其成為當(dāng)前研究火熱的電極材料。

在電吸附應(yīng)用方面，將預(yù)處理后的碳納米管與特定的粘結(jié)劑酚醛樹脂或呋喃樹脂球磨混合，熱壓成型碳化后制成碳納米管電極片。碳納米材料摻雜其他金屬材料或與石墨烯等材料制備復(fù)合電極也是目前的研究熱點(diǎn)，包括在碳納米管上填充TiO2、將雜多鎢酸鹽/殼聚糖與碳納米管形成三元復(fù)合膜修飾電極等。通過(guò)配制含乙酸鈷和乙酸鎳的氧化石墨烯-聚丙烯腈紡絲液,經(jīng)靜電紡絲技術(shù)制成碳納米級(jí)纖維GO-PAN，預(yù)氧化和碳化處理GO-PAN 得到分級(jí)多孔碳納米管/石墨烯-碳納米纖維（CNTs/G-CNFs）復(fù)合材料，其電吸附脫鹽能力高于CNFs 和G-CNFs 電極，最大除鹽量達(dá)8.17 mg/g、除鹽效率20.47%，具有優(yōu)異的除鹽性能和可再生循環(huán)吸附能力。

1.1.5 石墨烯

石墨烯，具有比表面積大、導(dǎo)電性高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在電容去離子中作為電極材料的潛力逐漸受到關(guān)注。采用高溫水熱法還原氧化石墨烯（GO）得到石墨烯水凝膠（GS）并經(jīng)壓片制得GS 電極，對(duì)GS 電極的電化學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，考察了GS 電極電吸附Pb2+的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性，以及電極的脫附和循環(huán)使用情況，GS 電極的電化學(xué)性能優(yōu)異。利用NaHSO3作為還原劑制備石墨烯氣凝膠,利用二硫蘇糖醇作為摻雜劑以及還原劑制備摻硫石墨烯氣凝膠，兩種材料均具有較好的循環(huán)再生性能。

2 結(jié)語(yǔ)

多孔炭材料仍然是目前主流的電吸附電極材料，其中活性炭或活性炭纖維材料價(jià)格低廉易獲得，在產(chǎn)業(yè)上應(yīng)用較多，如何選擇更優(yōu)的摻雜材料和摻雜方法，是今后活性炭電極的主要研究趨勢(shì)。而其中石墨烯和碳納米材料基體電極具有良好的循環(huán)使用性能和高吸附容量，是目前最具應(yīng)用前景的一類電吸附電極，是今后電吸附電極研究的主要方向，而如何降低成本、實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，將是其實(shí)際應(yīng)用的所需解決的主要問(wèn)題。