多孔碳纤维可用于电容式海水淡化潜力巨大

近日，美国弗吉尼亚理工学院开发出了一种多孔碳纤维材料，有望提高电容的能源效率，目前该学院已经针对材料的脱盐性能测试进行了设计。

该材料由长的纤维状碳纤维线组成，该碳纤维线由聚（甲基丙烯酸甲酯）嵌段聚丙烯腈（PMMA-b-PAN）衍生而成，具有约10 nm的均匀中孔。相对于反渗透系统，其在电容式淡化中的应用可以减少过程能耗。

与目前其他材料相比，这种材料在小批量海水淡化方面的速度最高可达40倍。研究人员近几年来一直在研究多孔碳纤维的设计和合成。

将多孔碳纤维浸入盐溶液后，可以通过对纤维施加电压以产生静电力，自然地将盐离子从水中吸引出来。产率的提高归因于均匀的中孔和相互连接的微孔所赋予的大的有效脱盐表面积。该结构确保了快速脱盐所必需的快速电子传输和快速离子扩散。

通过采用含500 mg盐/升的溶液进行的测试表明，该多孔碳纤维材料的脱盐能力为30.mg（氯化钠）/g，超过了常规的碳纤维、活性炭和其他最新碳材料。多孔碳纤维显示的38毫克/克/分钟的脱盐速率比大多数碳材料快约40倍。此外，该材料还吸收了盐水中常见的钾、镁和钙离子。

该研究的作者认为这种多孔碳纤维主要应用于汽车工业，在汽车工业中，类似但效率较低的材料已经被用作一些豪华汽车的外壳。该研究报告了这种神奇材料的新应用：电容式脱盐。

由于多孔碳纤维的高比表面积，可以储存大量的离子，由于多孔网络相互连接，离子在孔隙内的移动速度非常快。

淡水的日益枯竭和分布不均给技术和社会经济发展带来了严峻的挑战。海水淡化是解决淡水短缺问题的一种有前景方法。反渗透和热蒸馏是处理高盐浓度的海水或咸水广泛采用的技术，但这种方法在盐浓度较低的情况下能耗高且成本高。作为一种替代方法，电容性去离子方法可以通过电吸附或伪电容反应去除离子，使低盐浓度的水脱盐。

该研究工艺优势在于，在这个浓度范围内处理速度更快，处理能力更强，能源效率更高。在每升500毫克（盐）左右的实验条件下，如果用其他的方法来处理，成本会更高。

电容式海水淡化利用具有高比表面积和导电性的电极来处理水，施加电势使水中的离子浓度降低，然后再将离子排出，使电极再生。这些过程是可以重复进行的，海水淡化能力的损失可以忽略不计。虽然这种材料已经显示出了很好的效果，但研究团队只是展示了一个海水淡化的概念验证。他们正在寻找校园和全国各地的工程实验室，帮助扩大这项研究的规模，设计出大规模的海水淡化池。

这项工作是与华盛顿大学教授合作进行的。这种多孔碳纤维有望用于电池、汽车和海水淡化等多领域应用。该研究团队正在探索这种材料的所有优点，拓展未来多应用领域。