CN103508522A - 离子交换树脂改性炭电极及其制备方法和应用 - Google Patents

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本发明公开了一种离子交换树脂改性炭电极及其制备方法和应用，该离子交换树脂改性炭电极由活性炭粉末、导电炭黑、离子交换树脂粉末以及PTFE乳液混合制成，制备方法是将活性炭粉末、导电炭黑和离子交换树脂粉末混合均匀；以无水乙醇为溶剂，取上述混料与PTFE乳液调制成浆料；浆料倒入模具中，烘干成型得到极片；极片用导电石墨乳黏在集流体两面上，烘干，即得改性炭电极；该离子交换树脂改性炭电极用于在电吸附水处理设备中进行除盐操作。本发明的制备方法简单，所得到的改性炭电极吸附性能好，在常温常压下进行电吸附，除盐率可高达90%，并且能耗低，不产生任何副产物，无二次污染，处理费用低，显示了广阔的应用前景。

Description

离子交换树脂改性炭电极及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及水处理电极材料的制备领域，具体的说，是涉及一种炭电极的改性方法及其在水处理中的应用。
背景技术
电吸附技术因其具有运行能耗低、水利用率高、操作简单、维护便捷、无污染等优点，广泛应用于饮用水净化、苦咸水淡化、废水处理和工业用水处理等领域。
电吸附技术对电极的制备要求很高，目前常用于电极制备的材料有活性炭、炭气凝胶、碳纳米管等。然而，普通活性炭颗粒或粉末制备的电极，其导电性能和亲水性能都不理想；炭气凝胶制备的电极机械性能低，孔径分布宽且难以调控，制作成本高；碳纳米管不但制作成本高，而且其潜在的毒性也引发人们对于其作为净水材料的担忧。
发明内容
本发明要解决的是目前用于电吸附的炭电极，由于导电性能和亲水性能差而吸附性能不尽理想的技术问题，提供一种离子交换树脂改性炭电极及其制备方法和应用，能够提高普通活性炭电极的亲水性、导电性和吸附容量，并且制备方法简单。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种离子交换树脂改性炭电极，按重量份由5～15份混料和1份PTFE乳液混合制成，其中混料按重量份由活性炭粉末8～10份、导电炭黑1～2份、离子交换树脂粉末1～3份组成。
其中，所述离子交换树脂粉末为氢型强酸性阳离子交换树脂粉末或氢氧型强碱性阴离子交换树脂粉末或氢型强酸性阳离子交换树脂粉末与氢氧型强碱性阴离子交换树脂粉末的混合物。
优选地，所述混料按重量份由活性炭粉末8份、导电炭黑1份、离子交换树脂粉末1份组成。
一种离子交换树脂改性炭电极的制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）将8～10重量份的活性炭粉末、1～2重量份的导电炭黑和1～3重量份的离子交换树脂粉末混合均匀；
（2）以无水乙醇为溶剂，取步骤（1）得到的混料与PTFE乳液按照5～15:1的重量比调制成浆料；
（3）将步骤（2）得到的浆料倒入模具中，烘干成型得到极片；
（4）将步骤（3）得到的极片用导电石墨乳黏在集流体两面上，烘干，即得离子交换树脂改性炭电极。
优选地，步骤（1）中所述活性炭粉末、所述导电炭黑和所述离子交换树脂粉末的重量比为8:1:1。
其中，步骤（1）中的所述离子交换树脂粉末为氢型强酸性阳离子交换树脂粉末或氢氧型强碱性阴离子交换树脂粉末或氢型强酸性阳离子交换树脂粉末与氢氧型强碱性阴离子交换树脂粉末的混合物。
优选地，步骤（2）中所述混料与所述PTFE乳液按照10:1的重量比调制成浆料。
优选地，步骤（1）中的所述活性炭粉末、所述导电炭黑和所述离子交换树脂粉末在三维混料机中混合均匀；步骤（2）中的调制浆料过程是在行星式搅拌机中进行。
其中，步骤（4）中的集流体为碳纤维布、柔性石墨纸或泡沫镍其中的一种。
一种离子交换树脂改性炭电极在水处理中的应用，在电吸附水处理设备中进行除盐操作。
本发明的有益效果是：
本发明在炭电极中掺杂了离子交换树脂粉末，由于离子交换树脂粉末带有-SO3H、-OH等亲水基团，可在水中发生电离而使本身相应地带有或正或负电荷，因此本发明的改性炭电极导电性和亲水性得以增强，其吸附性能也得以增强。
本发明制备方法工艺简单，所得到的离子交换树脂改性炭电极在常温常压下进行电吸附，除盐率可高达90%，并且能耗低，不产生任何副产物，无二次污染，处理费用低，显示了广阔的应用前景。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述：
以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
将活性炭粉末80g、导电炭黑16g和001×7氢型强酸性阳离子交换树脂粉末12g装入三维混料机中混合均匀；取30g上述混料、3gPTFE乳液及60ml无水乙醇在行星式搅拌机中混合成浆料，并将浆料均匀涂在数个25×15×1.5（长×宽×厚，mm）的不锈钢模具上，在烘箱中于120℃下烘干，取出；用电阻率为0.5Ω·cm的导电石墨乳将极片分别粘在柔性石墨纸的两面上，烘干，即得离子交换树脂改性炭电极1。
实施例2
将活性炭粉末80g、导电炭黑10g和201×7氢氧型强碱性阴离子交换树脂粉末10g装入三维混料机中混合均匀；取30g上述混料、3gPTFE乳液及60ml无水乙醇在行星式搅拌机中混合成浆料，并将浆料均匀涂在数个25×15×1.5（长×宽×厚，mm）的不锈钢模具上，在烘箱中于120℃下烘干，取出；用电阻率为0.05Ω·cm的导电石墨乳将极片分别粘在泡沫镍的两面上，烘干，即得离子交换树脂改性炭电极2。
实施例3
将活性炭粉末80g、导电炭黑10g、001×7氢型强酸性阳离子交换树脂粉末6g、201×7氢氧型强碱性阴离子交换树脂粉末4g装入三维混料机中混合均匀；取30g上述混料、3gPTFE乳液及60ml无水乙醇在行星式搅拌机中混合成浆料，并将浆料均匀涂在数个25×15×1.5（长×宽×厚，mm）的不锈钢模具上，在烘箱中于120℃下烘干，取出；用电阻率为1.0Ω·cm的导电石墨乳将极片分别粘在碳纤维布的两面上，烘干，即得离子交换树脂改性炭电极3。
实施例4
将活性炭粉末90g、导电炭黑20g、001×7氢型强酸性阳离子交换树脂粉末6g、201×7氢氧型强碱性阴离子交换树脂粉末14g装入三维混料机中混合均匀；取30g上述混料、2gPTFE乳液及60ml无水乙醇在行星式搅拌机中混合成浆料，并将浆料均匀涂在数个25×15×1.5（长×宽×厚，mm）的不锈钢模具上，在烘箱中于120℃下烘干，取出；用电阻率为1.2Ω·cm的导电石墨乳将极片分别粘在柔性石墨纸的两面上，烘干，即得离子交换树脂改性炭电极4。
实施例5
将活性炭粉末100g、导电炭黑20g、001×7氢型强酸性阳离子交换树脂粉末14g、201×7氢氧型强碱性阴离子交换树脂粉末6g装入三维混料机中混合均匀；取30g上述混料、6gPTFE乳液及60ml无水乙醇在行星式搅拌机中混合成浆料，并将浆料均匀涂在数个25×15×1.5（长×宽×厚，mm）的不锈钢模具上，在烘箱中于120℃下烘干，取出；用电阻率为1.2Ω·cm的导电石墨乳将极片分别粘在柔性石墨纸的两面上，烘干，即得离子交换树脂改性炭电极5。
实施例6
将活性炭粉末100g、导电炭黑20g、201×7氢氧型强碱性阴离子交换树脂粉末30g装入三维混料机中混合均匀；取30g上述混料、4gPTFE乳液及60ml无水乙醇在行星式搅拌机中混合成浆料，并将浆料均匀涂在数个25×15×1.5（长×宽×厚，mm）的不锈钢模具上，在烘箱中于120℃下烘干，取出；用电阻率为1.2Ω·cm的导电石墨乳将极片分别粘在碳纤维布的两面上，烘干，即得离子交换树脂改性炭电极6。
实施例7
将活性炭粉末80g、导电炭黑20g、001×7氢型强酸性阳离子交换树脂粉末26g、201×7氢氧型强碱性阴离子交换树脂粉末4g装入三维混料机中混合均匀；取30g上述混料、5gPTFE乳液及60ml无水乙醇在行星式搅拌机中混合成浆料，并将浆料均匀涂在数个25×15×1.5（长×宽×厚，mm）的不锈钢模具上，在烘箱中于120℃下烘干，取出；用电阻率为1.2Ω·cm的导电石墨乳将极片分别粘在泡沫镍的的两面上，烘干，即得离子交换树脂改性炭电极7。
实施例8
将活性炭粉末100g、导电炭黑10g、001×7氢型强酸性阳离子交换树脂粉末6g、201×7氢氧型强碱性阴离子交换树脂粉末4g装入三维混料机中混合均匀；取30g上述混料、3gPTFE乳液及60ml无水乙醇在行星式搅拌机中混合成浆料，并将浆料均匀涂在数个25×15×1.5（长×宽×厚，mm）的不锈钢模具上，在烘箱中于120℃下烘干，取出；用电阻率为1.2Ω·cm的导电石墨乳将极片分别粘在碳纤维布的两面上，烘干，即得离子交换树脂改性炭电极8。
实施例9
将活性炭粉末80g、导电炭黑10g、001×7氢型强酸性阳离子交换树脂粉末6g、201×7氢氧型强碱性阴离子交换树脂粉末4g装入三维混料机中混合均匀；取30g上述混料、3gPTFE乳液及60ml无水乙醇在行星式搅拌机中混合成浆料，并将浆料均匀涂在数个25×15×1.5（长×宽×厚，mm）的不锈钢模具上，在烘箱中于120℃下烘干，取出；用电阻率为1.2Ω·cm的导电石墨乳将极片分别粘在泡沫镍的的两面上，烘干，即得离子交换树脂改性炭电极9。
将以上九个实施例中制得的离子交换树脂改性炭电极和无离子交换树脂粉末改性的炭电极用以下方法进行电吸附性能测试：以无纺布作为隔膜组装成电吸附器，电极片数为10个。在25℃、1.2V直流电压下，通电60min后测试电吸附器对盐水的脱盐能力，其中NaCl盐水体积与浓度为1L×750mg/L，TDS为750mg/L，电导率为1503üs/cm。各实施例中的炭电极电吸附性能见表1。
表1
Figure BDA0000391332490000051
从表中数据可看到，炭电极用离子交换树脂粉末改性后，其对水中盐分的去除能力有较大的提高。其中，又以实施例1中001×7氢型强酸性离子交换树脂粉末改性的炭电极效果最好。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种离子交换树脂改性炭电极，其特征在于，按重量份由5～15份混料和1份PTFE乳液混合制成，其中混料按重量份由活性炭粉末8～10份、导电炭黑1～2份、离子交换树脂粉末1～3份组成。
2.根据权利要求1所述的一种离子交换树脂改性炭电极，其特征在于，所述离子交换树脂粉末为氢型强酸性阳离子交换树脂粉末或氢氧型强碱性阴离子交换树脂粉末或氢型强酸性阳离子交换树脂粉末与氢氧型强碱性阴离子交换树脂粉末的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种离子交换树脂改性炭电极，其特征在于，所述混料按重量份由活性炭粉末8份、导电炭黑1份、离子交换树脂粉末1份组成。
4.一种离子交换树脂改性炭电极的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）将8～10重量份的活性炭粉末、1～2重量份的导电炭黑和1～3重量份的离子交换树脂粉末混合均匀；
（2）以无水乙醇为溶剂，取步骤（1）得到的混料与PTFE乳液按照5～15:1的重量比调制成浆料；
（3）将步骤（2）得到的浆料倒入模具中，烘干成型得到极片；
（4）将步骤（3）得到的极片用导电石墨乳黏在集流体两面上，烘干，即得离子交换树脂改性炭电极。
5.根据权利要求4所述的一种离子交换树脂改性炭电极的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述活性炭粉末、所述导电炭黑和所述离子交换树脂粉末的重量比为8:1:1。
6.根据权利要求4所述的一种离子交换树脂改性炭电极的制备方法，其特征在于，步骤（1）中的所述离子交换树脂粉末为氢型强酸性阳离子交换树脂粉末或氢氧型强碱性阴离子交换树脂粉末或氢型强酸性阳离子交换树脂粉末与氢氧型强碱性阴离子交换树脂粉末的混合物。
7.根据权利要求4所述的一种离子交换树脂改性炭电极的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述混料与所述PTFE乳液按照10:1的重量比调制成浆料。
8.根据权利要求4所述的一种离子交换树脂改性炭电极的制备方法，其特征在于，步骤（1）中的所述活性炭粉末、所述导电炭黑和所述离子交换树脂粉末在三维混料机中混合均匀；步骤（2）中的调制浆料过程是在行星式搅拌机中进行。
9.根据权利要求4所述的一种离子交换树脂改性炭电极的制备方法，其特征在于，步骤（4）中的集流体为碳纤维布、柔性石墨纸或泡沫镍其中的一种。
10.一种如权利要求1-3中任一项所述离子交换树脂改性炭电极在水处理中的应用，其特征在于，在电吸附水处理设备中进行除盐操作。
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