新型电容除离子（CDI）电极的制备与表征(3)
1.2 电容除盐（CDI）技术研究历史和进展
电容除盐技术（capacitive desalination, CDI） ，又称为电吸附技术（electrosorb technology， EST），是电除盐技术中的一种，其余的有电渗析、反向电渗析（EDR）、离子交换电渗析复合除盐技术（EDI）等。电容除离子装置主体由两块平行放置的电容电极组成，其基本思想是通过施加一定的外部电压作用于多孔吸附电极，在两个电极板间形成静电场，促使水中的带电离子在静电场的作用下向带有相反电荷的电极处移动。离子不断在电极表面浓缩和聚集，当达到饱和时，将正负电极短接，促使电极吸附的离子重新回到溶液中，随水流排出，从而使电极得到再生，反复利用。这就是一对CDI电极的吸附-脱附过程，或称之为净化-再生过程，是一种利用电容器对水中阴阳离子吸附以达到使污水去离子的除盐技术。Grahame[9]于1946年首次提出了电辅助（electro-assisted adsorption）吸附的方法，并使用此法进行了吸附正辛醇（一种非离子化的表面活性剂）的相关实验。1960年开始，Blair、Murphy等人[10]开展了废水除盐理论的研究，称为“电化学除盐”。若干年后，Evans和Hamilton[11]采用库仑法和物料平衡分析法对电化学除盐进行了研究，并初步解释了电容除离子的基本原理。1967年，Murphy和Caudle[12]首次通过数学计算方式描述了电容除盐机理，随后Murphy又对碳材料的表面改性进行了研究，探讨了浓硫酸和浓硝酸对电极除盐效果的影响。1968年，Reid等[13]证明了CDI的除盐能力并不会随着时间的推移而有所降低，同时CDI能够有效去除Na+、Cl+、Ca2+、Mg2+、SO42-、NO3-和PO43-等离子。到了20世纪70年代初期，Johnson等人[14]提出的双电层（EDL）理论极大的推进了CDI技术的发展，他们利用多孔电极模型研究了离子在多孔碳电极上的选择性吸附以及对充电电压的依赖作用。随后，Soffer、Oren等人[15]对EDL理论开展了广泛了的研究，其中一项研究表明即使小到0.5-3nm的微孔也可以被溶液浸润且有助于离子的去除过程。到了90年代，越来越多的研究开始注重开发一种性能优越的用于废水除盐的碳材料。其中，Farmer等人[16]采用的一种碳气凝胶材料得到了极大的关注。他们对基于碳气凝胶电极的CDI技术进行了深入的研究，由于具有极大的内表面积和良好的导电性能，碳气凝胶电极被认为是对传统活性炭电极的一次重大改进。到了21世纪，碳纤文、多孔碳及碳纳米管等各种碳材料及复合材料相继被CDI研究者引入了这一领域，并开发了膜电容除盐技术（MCDI）[17]。在最近的一次研究报道中，Hatzell等人[18]提出了一种以活性炭和乙炔黑材料制备的电容式悬浮电极（CSEs），提高了CDI系统的能量利用率，并成功的应用于废水的淡化过程。
1.3 电容除离子（CDI）技术理论
1.3.1 双电层（electrical double layer，EDL）理论
电容除盐（CDI）技术的核心理论即为双电层理论，为了更好的理解电容除盐技术，对双电层理论进行简单阐述。早在1883年,Helmholtz[19]就通过电极/电解液界面间电场分布的平行板电容器的简单模型阐述了双电层电容的概念。由于界面双电层电容是随电极电位和电解质浓度而变的。20世纪初，M.Gouy和D.L.Chapman[20]考虑到Helmholtz模型存在的两点局限性，即：其假定电容是不随着电势差的变化而变化的；和双电层界面的表面能与电势差是单纯的抛物线函数关系，引入导电界面电子密度梯度（或称托马斯-费米屏蔽距离（Thomas-Fermi screening））和热效应,修正了双电层模型。引入托马斯-费米屏蔽效应之后的结果是在双电层区域内存在一个随界面电势变化的电荷分布。其模型主要认为双电层电容应该考虑受到电势差和温度的影响。然而计算过程中发现该模型的电容计算值要远远大于实际值。1924年，Stern[21]结合Helmholtz模型对G-C模型进行了完善，在此模型的基础上，将双电层区域出现一个“内”层，在这个“内”层中，Helmholtz电容为主要贡献，而在较远的接近溶液的区域可用G-C模型进行模拟。因此，根据Stern模型的描述：总的电容量可以看成是由两个电容器串联组成的。