一种电容去离子设备专用活性炭电极块的制备方法技术领域
本发明涉及废水处理领域，特别涉及电容去离子设备专用活性炭电极块的制备方
法。
背景技术：
电容去离子(CDI)又称电吸附技术(EST)，其基本原理是基于电化学中的双电层理
论，利用带电电极表面的电化学特性，来实现水中带电粒子的吸附和去除、有机物的分解等
目的。CDI具有运行成本低、无需添加药、无二次污染、对进水质要求低、操作和维护简单、脱
盐率可调、水回收率高和设备寿命长等优点。
活性炭(AC)具有较大的比表面积和非常好的化学稳定性，是目前使用最为广泛的
CDI电极材料，通常CDI电极一般由活性炭、导电剂(石墨化炭黑)和粘合剂通过模压或涂布
制成。活性炭作为最廉价的碳基电极材料，是最有希望进行大规模工业应用的电极材料。但
活性炭电极本身电阻过大和存在传质阻力等缺陷限制了其的应用。此外，碳电极普遍存在
着一个致命的问题是不能自支撑作为独立电极使用。在制作电极过程中不可避免地对粘结
剂、导电剂以及集流体等物质的使用，这些物质将会堵塞传统碳材料的大部分孔径，降低了
电流效率，电极的电导率也受到影响，从而降低除盐效率以及吸附量。
美国专利(US 6787235B2)报道了一种无定型活性炭成块材料的制备方法及其用
途，经过高温高压处理制得的活性炭块可以切割成需要的形状，具有高的比电容，可用于电
容去离子技术领域。但是此种方法由于不含导电剂和粘结剂，因而材料的导电性和成块性
不是很好。
中国专利(CN101369492A)报道了一种高能比超级电容电极材料的制造方法，将多
孔碳、导电剂和聚四氟乙烯进行研磨混合，然后用碾压机进行高能碾压制得复合电极材料。
这种电极材料的额制备方法简易，但是掺入的聚四氟乙烯粘结剂将堵塞多孔碳孔道，且降
低电极的导电性能。
中国专利(CN105185599A)报道了一种多孔碳层/石墨烯层/多孔碳层的层状结构
的超级电容碳复合材料。将酚醛树脂或生物质原料与水混合，加入氧化石墨烯和无机或有
机胺，再经水热法得到前驱体，最后再将前躯体加热进行高温活化。所得的碳复合材料可用
于超级电容电极材料，能够有效提高超级电容的容量。但是此种方法使用的石墨烯原料非
常昂贵，而且电极复合材料的机械强度不是很好。
中国专利(CN105261490A)报道了一种电池电容电极浆料的制备方法，导电剂、超
级电容电极材料加入到粘结剂的胶液中，通过机械搅拌制得电容电极浆液，浆液通过涂布
方法即可制得电极材料。这种电极材料的额制备方法简易，但是掺入的聚四氟乙烯粘结剂
将堵塞多孔碳孔道。
中国专利(CN103570107A)报道了一种电吸附脱盐用电极材料的制备方法，将活性
炭纤维粉末和石墨加入到酚醛树脂溶液中，制得浆液，然后将浆液压片成型，然后放入电炉
中活化。这种方法制得的电极材料导电性和比电容都非常好。但是活性炭纤维的成本太高，
而且电极材料强度不佳。
发明内容
本发明的目的是，提供一种导电性好、比表面积大和比电容高的活性碳电极块的
制备方法，电极中无粘结剂残留，电极整体性好，机械强度高，可切割成各种所需的形状。
本发明采用的技术方案是：
一种电容去离子设备专用活性炭电极块的制备方法，所述方法为：
取活性炭、粘结剂、碳纤维、膨胀石墨粉、导电碳黑为原料，经过混合、成型、焙烧、
机械加工、活化，制得所述电容去离子设备专用活性炭电极块；
所述活性炭、粘结剂、碳纤维、膨胀石墨粉、导电碳黑的质量分数为活性炭粉末60
～90％，粘结剂8～25％，碳纤维0.5～2.5％、膨胀石墨1～10％、导电炭黑2～10％。
所述的活性碳可以是煤沥青基活性炭粉末、木材基活性炭粉末、竹纤维基活性炭
粉末或果壳基超级电容专用活性炭粉末，粒径为5～100μm，比表面积1500～2000m2/g。
所述的粘结剂为煤沥青、腐植酸钠盐、聚乙烯毗咯烷酮、羟甲基纤维素钠、酚醛树
脂或聚乙烯醇缩丁醛中的一种或两种以上。粘结剂的分子量越小，对活性炭微孔的堵塞越
严重；
所述的碳纤维为直径5～10μm，长度为1mm～100mm的短切碳纤维，纤维表面不含上
浆剂；
所述的膨胀石墨粉一般为50～100目。
进一步，本发明所述方法包括以下步骤：
(1)取活性炭、粘结剂、碳纤维、膨胀石墨粉、导电碳黑为原料，经过混合工艺得到
糊料，所述混合工艺为混捏工艺或溶解后湿混工艺；
(2)糊料经过成型工艺，制得固定形状的生胚，所述成型工艺可采用模压、挤压、振
动成型或等静压成型工艺；
(3)固定形状的生胚经过高温焙烧，使生坯中的粘结剂炭化，得到电极块初产品；
所述焙烧温度为850～1250℃；
(4)焙烧后的电极块初产品进行机械加工，所述的机械加工在切削机床中进行，采
用切削加工，根据电极需要的尺寸、形状、精度制成待活化电极；
(5)待活化电极进行活化工艺，制得所述电容去离子设备专用活性炭电极块；
所述步骤(1)中，所述混合工艺按不同粘结剂采用不同的混合方法，粘结剂为煤沥
青、酚醛树脂、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇缩丁醛时，采用混捏工艺进行混合；所述粘结剂
为腐植酸钠盐、羟甲基纤维素钠或酚醛树脂时，采用溶解后湿混工艺进行混合，即先将所述
粘结剂用溶剂溶解，然后与与除粘结剂以外的干料颗粒用搅拌机进行混合。
进一步，所述的混捏工艺包括干混和湿混两个过程，其中干混在常温下进行，时长
为20～35min，湿混时长为40～55min，操作温度高于粘结剂软化点50～80℃，且不能超过粘
结剂的碳化温度。
进一步，所述混捏工艺优选按照以下方法操作：先将除粘结剂以外的干料颗粒加
入混捏机，常温下中进行干混，干混时间为20～35min，使各种原料混合均匀，同时使不同粒
度大小的固体炭质物料均匀地混合和填充，提高混合料的密实度；然后再往混捏机中加入
粘结剂，进行湿混，所述粘结剂为煤沥青、酚醛树脂、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇缩丁醛中
的一种或两种以上，湿混时间40～55min，温度高于粘结剂软化点50～80℃，且不能超过粘
结剂的碳化温度；湿混过程中，液态粘结剂均匀涂布和浸润颗粒表面，形成一层粘结层，把
所有物料互相粘结在一起，进而形成均质的可塑性糊料，有利于成型。同时，部分粘结剂浸
透到炭质物料内部空隙，进一步提高了糊料的密度和粘结性。混捏后的糊料进行下一步成
型工艺。
所述粘结剂为腐殖酸钠盐或羟甲基纤维素钠时，采用溶解后湿混的混合工艺，所
述工艺为：将粘结剂加入到10倍质量的水中，并加入质量为水的质量分数5～20％的乙醇，
搅拌至充分溶解，得到粘结剂溶液，再将除粘结剂以外的干料颗粒与粘结剂溶液混合，采用
电动搅拌机混匀。
所述粘结剂为酚醛树脂时，可以采用混捏工艺进行混合，也可将酚醛树脂用溶剂
溶解后，采用湿混工艺进行混合，所述工艺具体为：将酚醛树脂用10倍质量的乙醇溶解，然
后与除粘结剂以外的干料颗粒用电动搅拌机混合1h，再加入质量为粘结剂质量6～10％的
固化剂，继续混合30～40min。所述固化剂可以为乌洛托品。
所述步骤(2)中，所述成型工艺可采用模压、挤压、振动成型或等静压成型方法，制
成固定性状的生胚制品。模压使用立式液压机，一般用于制备低档次片状电极。挤压成型采
用卧式液压挤压机或螺杆挤压机。振动成型采用振动成型机，可制备密实度好，机械性能优
的电极块。等静压成型采用等静压成型机，可制备密度分布均一，组织结构均匀，密度高，烧
结收缩率小，形状复杂，机械加工性能好的电极。
进一步，优选成型工艺选用挤压或等静压成型方式。所述挤压优选在碳素电极挤
压机中进行，工艺为：将步骤(1)得到的糊料冷却至90～120℃)后，依次进行装料、预压和挤
压三个过程。
进一步，所述装料工艺是分2～3次下料，然后4～10MPa压实；所述预压工艺为：压
力20～25MPa，时间3～5min，同时抽真空，进行脱气；所述挤压工艺为：压力为5～15MPa，制
得棒状或块状成型生胚所述等静压工艺为：将步骤(1)得到的糊料，冷却至90～120℃后，填
充到橡胶模具中，通过高频电磁振动，使得压粉得到密实，密封后进行抽真空，排出粉末颗
粒间的空气。然后将橡胶模具放入装有水或油等液体介质的高压容器中，加压到100～
200MPa，保压时间10～20min，压制成圆柱形或长方体形的成型生胚。
所述步骤(3)中，所述的高温焙烧在惰性气氛、氨气气氛、水蒸气中的一种或两者
以上的混合气氛下进行，具体工艺为：将成型生胚进行预碳化处理，在电炉内以2℃/min的
升温速度，升温到800～900℃，并且保温1～2小时；然后进行高温焙烧，焙烧时长为1～2小
时，温度为850～1250℃。高温焙烧使生坯中的粘结剂炭化，得到电极块初产品。
高温焙烧后，粘结剂也被烧成活性炭，但经过之前的成型压制后，粘结剂形成了牢
固的骨架结构，从而有一定的强度，焙烧后不会松散。
对于焙烧后破碎或裂缝的不合格焙烧坯，可以回收进一步处理，用粘结剂进行浸
渍和二次焙烧，具体工艺为：不合格的焙烧坯首先进行表面清理，然后在260～380℃预热6
～10小时、然后装入浸渍罐、抽真空(8～9KPa，40～50min)、再加入粘结剂，在180～200℃温
度下、1.2～1.5MPa压力下，加压浸渍3～4小时、然后再取出浸渍后的胚体，在700～800℃下
焙烧1～2小时。
所述步骤(5)中，所述的活化工艺为：先在活化炉中进行物理活化法，采用水蒸气
或CO2气体活化，活化温度800～900℃，活化时长1～2小时。然后，再进行化学活化，化学活
化法是将电极浸入活化剂水溶液中，在80℃温度下浸泡5～7小时，然后取出电极，放入电炉
中，在氮气或氩气气氛中，在450℃活化1～2小时，最后，用去离子水进行洗涤，直至洗涤液
pH为6～7。所述活化剂溶液可以是质量分数40％的磷酸溶液、质量分数为110％的氢氧化钾
溶液、质量分数25％的氯化锌溶液或质量分数8％的硝酸中的一种。
本发明还提供按照上述方法制备得到的电容去离子设备专用活性炭电极块。
所述的电容去离子设备专用活性炭电极块可用于制备电容去离子装置，进一步，
可用于水的脱盐处理，或者水中重金属离子、硬度、氟离子等有害离子的去除。
本发明的有益效果在于
1.此方法制备成本低廉，易于大规模生产。可选择成熟的石墨电极或烧结活性炭
制备工艺和设备作为参考，进行放大化生产。
2.此方法制得的电极整体性好，机械强度高，不易出现解体和掉渣现象，可根据设
备组装要求，切割成各种所需的形状。
3.相比普通的常温喷涂或模压方法，此方法制得的电极中无粘结剂残留，避免了
因粘结剂堵塞孔道和降低导电性的问题。因而电极孔隙发达，比表面积高。
4.相比普通的烧结活性炭制备工艺，本发明选用超级电容专用活性炭作为主要成
分，含有较多的介孔，因而制得的电极材料的导电性和比定容性能优良，非常适合在电容去
离子设备中的应用。
5.本发明中煅烧工艺可实现对粘结剂和活性炭颗粒的结晶化和石墨化控制，既确
保了活性炭颗粒主体的无定型形态和孔隙含量，又实现了粘结剂和部分活性炭的石墨化，
从而获得导电性和比表面积皆适中的电极产品。
6.此方法中添加的碳纤维和导电炭黑可以改善电极的导电性能，而且可以提高电
极块的机械强度和成块性。
具体实施方式
下面以具体实施例来对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不
限于此。
实施例1：
取椰壳活性炭600g、中温煤沥青200g、碳纤维20g、膨胀石墨粉50g，导电碳黑50g。
活性炭的粒径为6μm，比表面积为1550m2/g。中温煤沥青软化温度为80～86℃。碳纤维直径
为5μm，长度为1.5cm。膨胀石墨粉为50目，含碳量93％。导电炭黑的电阻率为1.2Ω·m。
先将除煤沥青以外的干料颗粒加入混捏机中常温下进行干混，干混时间为20min，
然后再往混捏机中加入煤沥青，进行湿混，湿混40min，温度为145℃；
混捏后的糊料进行下一步成型工艺，成型工艺选用等静压工艺：将混捏后的糊料，
冷却至90℃后，填充到橡胶模具中，通过高频电磁振动，使得压粉得到密实，密封后进行抽
真空，排出粉末颗粒间的空气，然后将橡胶模具放入装有水或油等液体介质的高压容器中，
放入冷等静压机中，加压到100MPa，保压时间10min，压制成边长为20cm的正方体。
然后将成型生胚进行焙烧，焙烧工艺：先进行预碳化处理，在电炉内，在氮气气氛
中以2℃/min的升温速度，升温到850℃，并且保温1小时；然后进行高温焙烧，焙烧温度为
900℃，焙烧时长为1小时。
焙烧后的电极块初产品进行机械加工，所述的机械加工在切削机床中进行，采用
切削加工，切削成边长为20cm、厚度为1mm的正方形待活化电极。
待活化电极进行活化工艺，制得所述电容去离子设备专用活性炭电极块；所述的
活化工艺为：先在活化炉中进行物理活化法，采用水蒸气活化，活化温度850℃，活化时长1
小时。然后，再进行化学活化，将电极浸入质量分数为110％的氢氧化钾溶液中，在80℃温度
下，浸泡7小时。然后取出电极置于电炉中，在氮气气氛下，在450℃，活化1小时。最后，用去
离子水进行洗涤，直至洗涤液的pH降为7，制得最终电极成品。
选取两片电极成品，采用万能表对电极进行导电性测试，探头分别接触电极的两
个相对的边，间距为20cm，测得的电阻为7.8Ω和8.3Ω，表明电极的导电性非常好。用电子
天平称得电极片的质量分别为41.4g和42.1g。
将活性炭电极组成的电容去离子模块，对其进行氯化钠脱盐性能测试：取两片上
述方法制得的活性炭电极，组装成长和宽均为20cm的电容去离子模块。电极片表面分别铺
一层厚度为0.05mm、滤孔直径为5μm的PP无纺布，电极片之间布置一块厚度为1mm的正方形
框状硅胶垫片，从而形成1mm的电极间距和水流道。硅胶垫片的外边长为22cm，内边长为
19.5cm。再用两片固定板夹住两片电极和垫片，再用螺丝将模块固定牢固。将直流电源正负
极，分别用导线连接在电极上。配制1000mL，电导率为920us/cm氯化钠溶液。脱盐实验以循
环测试的方式进行，用雷磁DDSJ-308F电导率仪实时监控水溶液的电导率。操作电压1.6V，
水流量为100mL/min，水温29℃。
经过40min的电吸附脱盐过程，氯化钠溶液的电导率从920us/cm降低到476us/cm。
之后关闭电源，将电极片的正负极用导线短接，进行电极再生。经过34min的再生过程，溶液
的电导率恢复到917us/cm。计算得出此气凝胶电极片质量比吸附量为2.66mg/g，体积比吸
附量为2.78mg/cm3。因此，此活性炭电极具有较好的电吸附性能，适合作为电容去离子设备
的电极。
实施例2：
取椰壳活性炭600g、酚醛树脂150g、乌洛托品12g、碳纤维20g、导电碳黑40g、膨胀
石墨10g。活性炭的粒径为5.4μm，比表面积为1840m2/g。酚醛树脂型号为2123。碳纤维直径
为5μm，长度为1cm。膨胀石墨粉为50目，含碳量93％。导电炭黑的电阻率为1.2Ω·m。
将酚醛树脂用10倍质量的乙醇进行溶解，然后与除粘结剂以外的干料颗粒用电动
搅拌机混合1h，再加入乌洛托品，继续混合30min，制得浆料。
浆料进行下一步成型工艺，成型工艺选用等静压工艺：将混匀的浆料填充到橡胶
模具中，密封后进行抽真空，排出空隙中的空气，然后将橡胶模具放入装有水或油等液体介
质的高压容器中，放入冷等静压机中，加压到120MPa，保压时间15min，压制成边长为20cm的
正方体
然后将成型生胚进行焙烧，焙烧工艺：先进行预碳化处理，在电炉内，在氮气气氛
中以2℃/min的升温速度，升温到800℃，并且保温1小时；然后进行高温焙烧，焙烧温度为
850℃，焙烧时长为1小时。
焙烧后的电极块初产品进行机械加工，所述的机械加工在切削机床中进行，采用
切削加工，切削成边长为20cm、厚度为1mm的正方形待活化电极。
待活化电极进行活化工艺，制得所述电容去离子设备专用活性炭电极块；所述的
活化工艺为：先在活化炉中进行物理活化法，采用二氧化碳活化，活化温度800℃，活化时长
1小时。然后，再进行化学活化，将电极浸入质量分数为110％的氢氧化钾溶液中，在80℃温
度下，浸泡5小时。然后取出电极放入电炉中，在氮气气氛下，在450℃，活化1小时。最后，用
去离子水进行洗涤，直至洗涤液的pH降为7，制得最终电极成品。
选取两片电极成品，采用万能表对电极进行导电性测试，探头分别接触电极的两
个相对的边，间距为20cm，测得的电阻为5.6Ω和5.8Ω，表明电极的导电性非常好。用电子
天平称得电极片的质量分别为35.6g和35.2g。
将活性炭电极组成的电容去离子模块，对其进行氯化钠脱盐性能测试：取两片上
述方法制得的活性炭电极，组装成长和宽均为20cm的电容去离子模块。电极片表面分别铺
一层厚度为0.05mm、滤孔直径为5μm的PP无纺布，电极片之间布置一块厚度为1mm的正方形
框状硅胶垫片，从而形成1mm的电极间距和水流道。硅胶垫片的外边长为22cm，内边长为
19.5cm。再用两片固定板夹住两片电极和垫片，再用螺丝将模块固定牢固。将直流电源正负
极，分别用导线连接在电极上。配制1000mL，电导率为920us/cm氯化钠溶液。脱盐实验以循
环测试的方式进行，用雷磁DDSJ-308F电导率仪实时监控水溶液的电导率。操作电压1.6V，
水流量为100mL/min，水温29℃。
经过40min的电吸附脱盐过程，氯化钠溶液的电导率从920us/cm降低到426us/cm。
之后关闭电源，将电极片的正负极用导线短接，进行电极再生。经过32min的再生过程，溶液
的电导率恢复到912us/cm。计算得出此气凝胶电极片质量比吸附量为3.39mg/g，体积比吸
附量为3.09mg/cm3。因此，此活性炭电极具有较好的电吸附性能，适合作为电容去离子设备
的电极。