本发明涉及一种炭气凝胶吸附电极，本发明还涉及基于上述炭气凝胶吸附电极生的电吸附系统。
背景技术：
1、工业循环冷却水系统运行过程中，冷却水与换热器热量交换后水温升高，经冷却塔淋洒和风吹将热量传递至空气，部分水体蒸发且水中co2逸出。多次循环后，受蒸发影响水中各种无机离子和有机离子不断浓缩，co2逸出导致ph升高，钙离子和镁离子等易达到过饱和状态而从水中结晶析出形成水垢，沉积在换热片上影响传热效率。为缓解循环冷却水系统结垢、腐蚀及微生物繁殖等问题，提高循环冷却水浓缩倍数并减少补充水用量，常投加缓蚀阻垢剂、杀菌剂及黏泥剥离剂等药剂，投加上述药剂在一定程度上发挥了作用。但仅依赖药剂也存在准确投加等问题，过少时药剂作用受限，过量时不仅增加运行成本，还可能富集其它离子或产生泡沫等。因此，构建循环冷却水处理系统，并将再生水作为补充水回用于系统十分重要。
2、当前，电渗析、反渗透及离子交换等除盐方法已被证实具备有效性，但对预处理要求较高，且材料频繁更换也会增加运行成本。电吸附技术作为一种新型水处理技术，基于双电层理论，利用电极表面的电化学特性吸附阴、阳离子，通过反接或短接电源释放吸附离子，外排浓水以实现净化过程。然而，现有常规电吸附系统再生时需要暂停吸附过程，即便选用高吸附量材料也无法避免，仍会影响吸附和再生效率。若选用两组电吸附系统，无疑会增加设备投资成本。
技术实现思路
1、发明目的：本发明目的旨在提供一种炭气凝胶吸附电极，该吸附电极同时具备微孔-中孔和大孔结构，并具有大量的离子嵌入通道，从而大幅提升电极对离子的吸附量，提高脱盐率；本发明另一目的旨在提供基于上述炭气凝胶吸附电极的电吸附系统，该电吸附系统再生时不需要暂停吸附过程，从而有效提高电吸附系统的吸附效率。
2、技术方案：本发明所述的炭气凝胶吸附电极，采用如下方法制备而成，具体为：
3、(1)按间苯二酚(resorcinol，r)与甲醛(formaldehyde；f)摩尔比为1：1～1：3将间苯二酚和甲醛水溶液混合，往其中加入碱性催化剂(naoh)，得到ph为10～11的rf溶液；
4、(2)将十六烷基三甲基溴化铵(ctab)溶于去离子水形成分散液，其中，十六烷基三甲基溴化铵与间苯二酚的摩尔比为0.01～0.1：1；将步骤(1)的rf溶液缓慢加入到分散液中，同时按照2000ppm～5000ppm的投加量加入质量分数为0.3％的氧化石墨烯分散液，得到混合液；混合液中，氧化石墨烯的浓度为2000ppm～5000ppm；于80℃～85℃下开启磁力搅拌，经交联聚合反应形成溶胶凝胶体系，然后老化3d～4d；
5、本发明采用常压干燥法制备炭气凝胶，为避免常压干燥下气凝胶孔结构塌陷，本发明以十六烷基三甲基溴化铵(ctab)作为模板剂，可在酚醛单体交联聚合反应时定向控制凝胶颗粒及孔结构形成，同时也可作为表面活性剂降低表面张力作用；以氧化石墨烯作为改性添加剂，一方面可增强导电性能，另一方面其表面的羧基官能团可与酚类单体表面的羟基以氢键结合，形成石墨烯增强的三维结构，可保证在常压干燥过程中维持完整形貌；
6、(3)将老化后形成的凝胶置于鼓风式干燥箱中进行常压干燥，于温度70℃～80℃下干燥4h～5h；随后放入炭化炉，通入氮气保护，在600℃～1000℃下恒温热处理2h～3h得到炭气凝胶电极材料；
7、(4)将100ml浓度为0.5mol/l～0.7mol/l的kmno4溶液与1g炭气凝胶电极材料混合，于120℃～150℃的水热反应釜中反应2h～3h；经水热改性后，形成的纳米级二氧化锰均匀分散在石墨烯增强的炭气凝胶吸附电极表面，通过快速、可逆的氧化还原反应储存电荷，提高炭气凝胶吸附电极的比电容；反应后固液分离，固体产物以去离子水洗涤后烘干，得到mno2负载的石墨烯增强的炭气凝胶吸附电极。
8、为进一步提高炭气凝胶吸附电极电化学性能，本发明以二氧化锰(mno2)作为过渡金属氧化物负载至炭气凝胶表面，以纳米态mno2作为过渡金属氧化物可以通过快速、可逆的氧化还原反应储存电荷，使炭气凝胶吸附电极具有较高的比电容，可承载更多的电荷量，加强电极吸附效果。
9、本发明以间苯二酚和甲醛为反应原料，随后进行老化处理，在液态环境下聚联成链状三维结构改善强度；而后通过干燥除去溶剂，得到低密度的有机气凝胶材料；最后高温炭化，使孔结构收缩，增加中孔和微孔比例导致炭气凝胶电极材料的比表面积大幅增加。
10、基于上述炭气凝胶吸附电极的电吸附系统，包括反应箱体以及设置在反应箱体内的阳极区、净水区和阴极区；所述阳极区由两个相对设置的半圆柱型炭气凝胶吸附电极以及固定在两个半圆柱型炭气凝胶吸附电极之间的矩形绝缘板组成；阳极区的半圆柱型炭气凝胶吸附电极外包覆有阴离子交换膜(只允许阴离子通过，有效增加脱盐性能，再生时可避免阳离子吸附至电极)；矩形绝缘板的面积与两个半圆柱型炭气凝胶吸附电极相对面的面积一样大；所述阴极区也由两个相对设置的半圆柱型炭气凝胶吸附电极以及固定在两个半圆柱型炭气凝胶吸附电极之间的矩形绝缘板组成；阴极区的半圆柱型炭气凝胶吸附电极外包覆有阳离子交换膜(只允许阳离子通过，有效增加脱盐性能，再生时可避免阴离子吸附至电极)；矩形绝缘板的面积与两个半圆柱型炭气凝胶吸附电极相对面的面积一样大；所述净水区位于阳极区和阴极区之间；净水区下部设有进水口，上部设有出水口；还包括顶升机构和转动机构；顶升机构的固定端通过轴承固定在反应箱体底板上，阳极区或阴极区固定在顶升机构的驱动端上；转动机构固定在反应箱体底板的外侧，转动机构的驱动轴与顶升机构固定连接，转动机构驱动顶升机构相对反应箱体转动；还包括固定在反应箱体顶板上与外部电源连接的四个磁吸接口，四个磁吸接口分别与阳极区和阴极区的四个半圆柱型炭气凝胶吸附电极一一对应设置；其中，阳极区和阴极区相对靠近的半圆柱型炭气凝胶吸附电极作为阳极吸附电极和阴极吸附电极；阳极区和阴极区相对远离的半圆柱型炭气凝胶吸附电极作为阳极再生电极和阴极再生电极；阳极吸附电极和阴极吸附电极分别通过磁吸接口接外部电源的正极和负极，阳极再生电极和阴极再生电极分别通过磁吸接口接另一外部电源的负极和正极。
11、其中，净水区下部设有入水整流板，上部设有出水整流板，入水整流板上的开口与外部进水管连接，出水整流板上的开口与外部出水管连接。
12、其中，阳极区和阴极区的圆柱型炭气凝胶吸附电极与整流板滑动连接。
13、其中，入水整流板与出水整流板的垂直高度不大于阳极区和阴极区的高度；出水整流板与反应箱体顶板的距离不小于顶升前电极与磁吸接口的距离；入水整流板与反应箱体底板的距离不小于顶升后顶升机构固定端与阳极区或阴极区的距离。
14、其中，圆柱型阳极区和阴极区的直径均与反应箱体的宽度一致；阳极区和阴极区将反应箱体分隔成净水区和再生区，再生区下部开有进水口，上部开有出水口，电极再生时通入原水；再生电极所在的区域为再生区，吸附电极所在的区域为净水区；当转动机构转动180°，使原来作为吸附电极的半圆柱型炭气凝胶吸附电极变成再生电极，由于电极反接将其所吸附的离子释放，浓水从再生区顶部排出。
15、其中，所述顶升机构为顶升气缸，顶升气缸顶升前，顶升气缸和阳极区或阴极区的高度之和小于反应箱体的高度(高度差为不大于1cm)；顶升气缸顶升前，电极与磁吸接口的间距不大于1cm，因此顶升气缸将阴极区和阳极区的顶升高度为不大于1cm。
16、其中，转动机构为电机。
17、吸附过程开始前，通过磁力泵将循环水从原水箱中抽出，同时气缸加压顶升使得电极上升，与磁吸接口连接。施加0.5v～1.5v外电场电压，由于电场力的存在，溶液中的阴、阳离子逐渐向其所带相反极性的极板发生电迁移，从而使水中的溶解盐类及其他物质在电极表面富集浓缩，进而吸附在电极内部微孔表面。随反应进行同步监测出水电导率，出水电导率出现波动上升时视为电极吸附离子达到饱和。随后，气缸泄压使得电极下降，与磁吸接口断开连接，断开的同时启动电机，气缸旋转，并旋转180°使再生电极和吸附电极位置交换，而后气缸升压使电极高度再度上升，与磁吸接口连接，电极交换过程约持续0.5s～1s。此时，再生区通入原水箱原水，再生区由于电极反接将所吸附离子释放，浓水从再生区顶部排出，进入浓水箱，出水电导率恢复至原水时再生完毕。同时，净水区可连续实现离子吸附，吸附后水体经出水整流板后汇聚至出水管流出。
18、有益效果：相比于现有技术，本发明具有如下显著的效果：(1)本发明制得的炭气凝胶碳材料化学稳定性好、导电性高，孔径小于20nm，较同体积吸附电极具有更大的比表面积；炭气凝胶基质负载的mno2使电极具有更高的比电容，有利于快速储存、释放电荷，从而增强电极对离子的吸附能力，进而具有高脱盐率；(2)本发明制备炭气凝胶电极的方法，采用常压干燥技术，在保证电极具有大孔隙率的同时极大减少了电极制备过程的能源消耗；(3)相比于现有循环冷却水再生的电吸附工艺需暂停吸附以完成电极再生过程，影响吸附和再生效率，本发明采用异位再生电吸附，提高离子吸附量的同时，可异位实现电极再生，从而保证电吸附过程连续化运行，提高吸附及再生效率，进而提高脱盐效率；本发明电吸附系统能够用作循环冷却水的阴、阳离子去除，得到的再生水可用作补充水回用于冷却塔。
1.一种炭气凝胶吸附电极，其特征在于，采用如下方法制备而成，具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的炭气凝胶吸附电极，其特征在于：步骤(2)中，混合液中，氧化石墨烯的浓度为2000ppm～5000ppm。
3.根据权利要求1所述的炭气凝胶吸附电极，其特征在于：步骤(3)中，于温度70℃～80℃下干燥4h～5h。
4.基于权利要求1所述的炭气凝胶吸附电极的电吸附系统，其特征在于：包括反应箱体以及设置在反应箱体内的阳极区、净水区和阴极区；所述阳极区由两个相对设置的半圆柱型炭气凝胶吸附电极以及固定在两个半圆柱型炭气凝胶吸附电极之间的矩形绝缘板组成；阳极区的半圆柱型炭气凝胶吸附电极外包覆有阴离子交换膜；所述阴极区也由两个相对设置的半圆柱型炭气凝胶吸附电极以及固定在两个半圆柱型炭气凝胶吸附电极之间的矩形绝缘板组成；阴极区的半圆柱型炭气凝胶吸附电极外包覆有阳离子交换膜；所述净水区位于阳极区和阴极区之间；净水区下部设有进水口，上部设有出水口；还包括顶升机构和转动机构；顶升机构的固定端通过轴承固定在反应箱体底板上，阳极区或阴极区固定在顶升机构的驱动端上；转动机构固定在反应箱体底板的外侧，转动机构的驱动轴与顶升机构固定连接，转动机构驱动顶升机构相对反应箱体转动；还包括固定在反应箱体顶板上与外部电源连接的四个磁吸接口，四个磁吸接口分别与阳极区和阴极区的四个半圆柱型炭气凝胶吸附电极一一对应设置；其中，阳极区和阴极区相对靠近的半圆柱型炭气凝胶吸附电极作为阳极吸附电极和阴极吸附电极；阳极区和阴极区相对远离的半圆柱型炭气凝胶吸附电极作为阳极再生电极和阴极再生电极；阳极吸附电极和阴极吸附电极分别通过磁吸接口接外部电源的正极和负极，阳极再生电极和阴极再生电极分别通过磁吸接口接另一外部电源的负极和正极。
5.根据权利要求4所述的电吸附系统，其特征在于：净水区下部设有入水整流板，上部设有出水整流板，入水整流板上的开口与外部进水管连接，出水整流板上的开口与外部出水管连接。
6.根据权利要求4所述的电吸附系统，其特征在于：阳极区和阴极区的圆柱型炭气凝胶吸附电极与整流板滑动连接。
7.根据权利要求4所述的电吸附系统，其特征在于：入水整流板与出水整流板的垂直高度不大于阳极区或阴极区的高度；出水整流板与反应箱体顶板的距离不小于顶升前电极与磁吸接口的距离；入水整流板与反应箱体底板的距离不小于顶升后顶升机构固定端与阳极区或阴极区的距离。
8.根据权利要求4所述的电吸附系统，其特征在于：圆柱型阳极区和阴极区的直径均与反应箱体的宽度一致；阳极区和阴极区将反应箱体分隔成净水区和再生区，再生区下部开有进水口，上部开有出水口，电极再生时通入原水；再生电极所在的区域为再生区，吸附电极所在的区域为净水区；当转动机构转动180°，使原来作为吸附电极的半圆柱型炭气凝胶吸附电极变成再生电极，电极反接将其所吸附的离子释放，浓水从再生区顶部排出。
9.根据权利要求4所述的电吸附系统，其特征在于：所述顶升机构为顶升气缸，顶升气缸顶升前，顶升气缸和阳极区或阴极区的高度之和小于反应箱体的高度；顶升气缸顶升前，电极与磁吸接口的间距不大于1cm，因此顶升气缸将阴极区和阳极区的顶升高度为不大于1cm。
10.根据权利要求4所述的电吸附系统，其特征在于：转动机构为电机。
