CN100400714C - 处理有机废水的碳纳米管电催化电极的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于处理有机废水的碳纳米管电催化电极的制造方法，属电催化氧化技术中电极材料制造技术领域。本发明主要是将具有高催化活性、高比表面积的碳纳米管与粘结剂聚四氟乙烯接一定比例和一定方法混合后，进行冷压成型，随后用环氧树脂固化电极一端面并引出导线。本发明方法制得的碳纳米管电催化电极具有很好的导电性，能耗低；经改性处理后可显著提高碳纳米管电极的电催化活性。本发明方法制得的碳纳米管以催化电极适用于处理有机废水，对废水中的有机物具有较高的降解率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于处理有机废水的碳纳米管电催化电极的制造方法，属电催化氧化技术中电极材料制造技术领域。
背景技术
有机废水中其有机污染物浓度高及化学需氧量COD值高，水质色度深，一直是国内外科技界难以处理的问题之一。目前的处理技术对有机废水进行降解处理后，结果显示：有机污染物降解不完全，脱色效果差、COD去除率低，并且部分处理技术还伴有二次污染的危害。电催化氧化技术是使污染物在电极上发生直接电化学反应或利用电极表面产生的强氧化性物质将污染物氧化降解。电催化氧化法具有比一般的化学反应更强的氧化能力、化学药剂消耗少、适应性强以及易于实现自动化控制等优点，这已在含烃、醛、醇、醚、酚等有机污染物的处理中逐渐得到应用。电催化氧化技术走向实用化的关键是要研究出具有高效催化性能的电极材料。但目前采用的电极仍然是石墨、铝板、铁板、不锈钢以及一些不溶性电极如PbO2和贵金属电极如Pt等。石墨电极强度较差，电流效率低。铝板或铁板为可溶性电极，电极本身材料消耗量大，成本高，而且产生的污泥量也大。不溶性电极PbO2的氧化能力虽然高于石墨电极，但其电催化性能较低，对有机物的降解效果也不理想。
发明内容
本发明的目的就是针对上述问题，提供一种应用电催化氧化方法处理有机废水的碳纳米管电极的制造方法。
本发明的目的是通过以下技术手段和措施来达到的。
本发明一种处理有机废水的碳纳米管电催化电极的制造方法，其特征在于具有如下的工艺过程和步骤：
a.纯化碳纳米管粉末：将碳纳米管粉末浸泡在20％硝酸溶液中24小时，再超声分散2小时，以去除制备碳纳米管时残留的金属催化剂；然后进行抽滤，用蒸馏水洗涤多次，洗涤至pH＝7，随后烘干至恒重；
b.将纯化后的碳纳米管粉末进行改性处理：将碳纳米管粉末在空气气氛中高温焙烧，焙烧温度为600℃，时间为0.5小时；然后置于球磨机中进行高速球磨，球磨机转速为1500rpm；
c.分散聚四氟乙烯(PTFE)粘结剂于碳纳米管中：用适量的聚四氟乙烯乳液，并以无水乙醇为溶剂，将该聚四氟乙烯的乙醇溶液加入到改性后的碳纳米管粉末中，聚四氟乙烯粘结剂的用量为碳纳米管重量的10％；然后在高速砂磨机中进行分散，高速砂磨机分散头的转速为3000rpm，分散时间为0.5小时，使粘结剂充分分散于碳纳米管中；分散处理后再进行烘干；
d.冷压成型：将烘干后的碳纳米管在室温和25MPa压力条件下，用台式电动压片机冷压成型，形成圆柱状薄片，即为电极；
e.电极端面固定封接导线：在上述制成的碳纳米管电极的一端面上连接导线，先用导电石墨或导电银胶粘固导线一端，然后浇上含有15％邻苯二甲酸二丁酯和5％乙二胺的环氧树脂，并固化24小时，以固封引出的导线；最终制成碳纳米管电极。
本发明中所用的碳纳米管为多壁碳纳米管，管径为40～60μm，长度为50～300μm，比表面积为200～300m2/g。
本发明方法的特点及其效果叙述于下：
1.本发明方法中使用了碳纳米管，碳纳米管具有特殊的中空结构，其孔径在40～60μm之间，经过改性处理后的碳纳米管其管端开口，可使碳纳米管的内壁也能被充分利用，这样废水中的有机污染物可以在碳纳米管的管腔内、碳纳米管表面、碳纳米管互相缠绕形成的许多网络空隙间被氧化降解处理，所以碳纳管米比传统的碳素电极有较高的电催化活性。
2.本发明方法对碳纳米管进行了纯化和改性处理；采用高温焙烧结合高速球磨的改性方法；高温焙烧氧化处理能使碳纳米管的管端开口，管壁变薄；高速球磨处理能使碳纳米管被截断而明显变短，改善团聚现象。通过纯化和改性处理后，碳纳米管电极的电催化性能可进一步获得提高。
3.本发明采用适量的聚四氟乙烯(PTFE)乳液作为粘结剂，该粘结剂具有一定的优越性，PTFE的化学性质稳定，不会随着外加电压和电流以及浸渍在无机溶剂中而发生性质上的改变，因此适合用作碳纳米管的粘结剂材料。本发明采用将粘结剂乳液溶于无水乙醇溶剂中，并高速分散在碳纳米管中；粘结剂的最佳添加量为10％，如果粘结剂添加量少于10，电极就不易成型；若添加量大于10，过多的PTFE会堵塞碳纳米管管端或堵塞碳纳米管间的空隙，会影响电极的电催化性能。
4.本发明中采用含有固化剂乙二胺的环氧树脂来固封引出的导线，环氧树脂为热固性高分子材料，具有良好粘结性、电绝缘性、化学稳定性。加入含固化剂乙二胺的环氧树脂，可以生成立体网状结构的产物，能很好地起到固定导线、保护电极片的作用。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例进一步详细叙述于后。
实施例1
本实施例中，处理有机废水的碳纳米管电催化电极的制造方法具有以下的工艺步骤：
(1)纯化碳纳米管粉末：将碳纳米管粉末浸泡在20％硝酸溶液中24小时，再超声分散2小时，以去除制备碳纳米管时残留的金属催化剂；然后进行抽滤，用蒸馏水洗涤多次，洗涤至洗脱液的pH值为7，随后烘干至恒重。
(2)将纯化后的碳纳米管粉末进行改性处理：将碳纳米管粉末在空气气氛中高温焙烧，焙烧温度为600℃，时间为0.5小时；然后置于球磨机中进行高速球磨，球磨机转速为1500rpm。
(3)分散聚四氟乙烯(PTFE)粘结剂于碳纳米管中：用适量的聚四氟乙烯乳液，并以无水乙醇为溶剂，将该聚四氟乙烯的乙醇溶液加入到改性后的碳纳米管粉末中，聚四氟乙烯粘结剂的用量为碳纳米管重量的10％；然后在高速砂磨机中进行分散，高速砂磨机分散头的转速为3000rpm，分散时间为0.5小时，使粘结剂充分分散于碳纳米管中；分散处理后再进行烘干。
(4)冷压成型：将烘干后的碳纳米管在室温和25MPa压力条件下，用台式电动压片机冷压成型，形成圆柱状薄片，即为电极。
(5)电极端面固定封接导线：在上述制成的碳纳米管电极的一端面上连接导线。其方法为：将铝箔卷曲成圆筒状，将碳纳米管电极片固定放置其中，先用导电石墨或导电银胶粘固导线一端于电极端面上，然后在该连接处浇上含有15％邻苯二甲酸二丁酯和5％乙二胺的环氧树脂，并让其固化24小时，以固封引出的导线；最终制成碳纳米管电极。
将本发明方法制得的碳纳米管电催化电极作对有机废水的降解能力试验及其他电极相对比较试验。
(1)碳纳米管电催化电极的试验
对活性艳红X-3B染料废水进行处理，其初始浓度为50mg/L，无机盐含量为3000mg/L；用碳纳米管电极作为阳极，不锈钢片作为阴极，在电极密度为20mA·cm-2、磁力搅拌转速为500rpm条件下进行电催化氧化处理，处理时间为30分钟。实验结果表明：梁料X-3B有机物的降解率达到99.43％，COD去除率为95％。
(2)活性碳电极的试验
对活性艳红X-3B染料废水进行处理，其初始浓度为50mg/L，无机盐含量为3000mg/L；用活性炭电极作为阳极，不锈钢片作为阴极，在电流密度为20mA·cm-2、磁力搅拌转速为500rpm条件下进行电催化氧化处理，处理时间为30分钟。实验结果表明：染料X-3B有机物的降解率达到22.94％，COD去除率为41.54％。
(3)石墨电极的试验
对活性艳红X-3B染料废水进行处理，其初始浓度为50mg/L，无机盐含量为3000mg/L；用石墨电极作为阳极，不锈钢片作为阴极，在电流密度为20mA·cm-2、磁力搅拌转速为500rpm条件下进行电催化氧化处理，处理时间为30分钟。实验结果表明：染料X-3B有机物的降解率达到79.92％，COD去除率为69.63％。
由以上实验可知，本发明的碳纳米管电极在有机废水的电催化氧化反应中具有优异的较高的降解率和较高的COD去除率。
Claims (2)
1.一种处理有机废水的碳纳米管电催化电极的制造方法，其特征在于具有如下的工艺过程和步骤：
a.纯化碳纳米管粉末：将碳纳米管粉末浸泡在20％硝酸溶液中24小时，再超声分散2小时，以去除制备碳纳米管时残留的金属催化剂；然后进行抽滤，用蒸馏水洗涤多次，洗涤至pH＝7，随后烘干至恒重；
b.将纯化后的碳纳米管粉末进行改性处理：将碳纳米管粉末在空气气氛中高温焙烧，焙烧温度为600℃，时间为0.5小时；然后置于球磨机中进行高速球磨，球磨机转速为1500rpm；
c.分散聚四氟乙烯(PTFE)粘结剂于碳纳米管中：用适量的聚四氟乙烯乳液，并以无水乙醇为溶剂，将该聚四氟乙烯的乙醇溶液加入到改性后的碳纳米管粉末中，聚四氟乙烯粘结剂的用量为碳纳米管重量的10％；然后在高速砂磨机中进行分散，高速砂磨机分散头的转速为3000rpm，分散时间为0.5小时，使粘结剂充分分散于碳纳米管中；分散处理后再进行烘干；
d.冷压成型：将烘干后的碳纳米管在室温和25MPa压力条件下，用台式电动压片机冷压成型，形成圆柱状薄片，即为电极；
e.电极端面固定封接导线：在上述制成的碳纳米管电极的一端面上连接导线，先用导电石墨或导电银胶粘固导线一端，然后浇上含有15％邻苯二甲酸二丁酯和5％乙二胺的环氧树脂，并固化24小时，以固封引出的导线；最终制成碳纳米管电极。
2.根据权利要求1所述的一种处理有机废水的碳纳米管电极的制造方法，其特征在于所述的碳纳米管为多壁碳纳米管，管径为40～60μm，长度为50～300μm，比表面积为200～300m2/g。
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