Enhanced capacitive removal of hardness ions by hierarchical porous carbon cathode with high mesoporosity and negative surface charges

电容去离子 吸附 材料科学 介孔材料 化学工程 电解质 水软化 碳化 比表面积 海水淡化 化学 复合材料 软化 有机化学 电极 催化作用 物理化学 工程类 生物化学
作者
Pengfei Nie,Xiaohong Shang,Bin Hu,Taimoor Hussain,Jianmao Yang,Manhong Huang,Jianyun Liu
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:612: 277-286 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2021.12.156
摘要

Capacitive deionization (CDI), as a promising desalination technology, has been widely applied for water purification, heavy metal removal and water softening. In this study, the hierarchical porous carbon (HPC) with extremely large specific surface area (∼1636 m2 g-1), high mesoporosity and negative surface charges, was successfully prepared by one-step carbonization of magnesium citrate and acid etching. HPC carbonized at 800 ℃ exhibited an excellent specific capacitance (207.2 F g-1). The negative surface charge characteristic of HPC was demonstrated by potential of zero charge test. With HPC-800 as a CDI cathode, the super high adsorption capacity of hardness ions (Mg2+: 472 μmol g-1, Ca2+: 425 μmol g-1) with ultrafast adsorption rate was realized, attributed to its abundant mesoporous structure and negative surface charges. The priority order of ion adsorption on HPC in the multi-component salt solution was Mg2+ > Ca2+ > K+ ≈ Na+. The desalination and softening of the actual brackish water have been simultaneously achieved by three-cell CDI stack after four times of adsorption, with 63% decrease of total dissolved solids and 76% reduction of hardness. The current HPC material with outstanding adsorption performance for hardness ions shows great potential in brackish water purification.
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