CN103626357B - Al-ZnO-AC电极的制备方法及一种纳米电吸附去除微咸水盐分装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种Al-ZnO-AC电极的制备方法一种纳米电吸附去除微咸水盐分装置，其特征在于电吸附除盐装置中的电极采用Al-ZnO-AC电极，由增压泵、电吸附装置组成的电吸附除盐系统中，在增压泵之前设置一个微生物纳米球处理箱作为前处理装置，以吸附水流中悬浮性颗粒及杂质，并进行初步除盐，从而减轻后续电吸附装置处理盐分的压力。本发明利用纳米-微生物复合技术，对电吸附除盐预处理及电吸附电极做了改进，能够更好的处理微咸水，提高除盐效果，促进微咸水的资源化和安全利用。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体涉及Al-ZnO-AC电极的制备方法及一种纳米电吸附去除微咸水盐分装置。
背景技术：
淡水是人类赖以生存和社会经济发展不可缺少的基本物质，淡水资源短缺已经成为我国经济发展的制约因素。淡水还可通过海水、微咸水等的除盐获取，因而除盐技术显得尤为重要。
除盐技术的研究和开发已趋向成熟，主要除盐方法有蒸馏法，离子交换法，电渗析法，反渗透法，电吸附法等。其中，蒸馏法、离子交换法成本较高；电渗析法能耗大，切膜堆结垢现象比较严重；反渗透法虽然除盐效率高，但能耗较大，水盐分离效果依赖于半透膜的特性。而电吸附法能耗低，再生方便，操作简便，可自动控制，对进水要求低，有较大的发展前景，但电吸附法除盐效率较低。
电吸附法的应用越来越广泛，针对电吸附法除盐的不足，电极的改进成为研究和开发的热点。而现有电吸附法的预处理复杂且成本高，业已成为电吸附法广泛应用的一大障碍。如何简化电吸附法中的预处理，并联合电极的改进，对电吸附法除盐效果的提升有着非常重要的作用。
活性炭粉由于比表面积大，导电性能好，化学性质稳定等优点，成为电吸附电极的重要材料。然而活性炭电极吸附容量低，机械性能差仍是制约其进一步发展的重要因素。目前，纳米材料的开发使得活性炭电极有了进一步的发展，如二氧化锰活性炭电极，二氧化钛活性炭电极。虽然有所改进，但仍存在一定的问题。如二氧化锰活性炭电极重复使用时二氧化锰易脱落，影响电极的使用寿命。二氧化钛活性炭电极制备过程对温度参数要求较高，且活性炭通道易堵塞。本发明采用的Al-ZnO-AC电极制作简单，比表面积大，除盐率高，重复使用性能好。
发明内容：
针对现有脱盐技术的不足，本发明的目的在于提供一种微咸水纳米电吸附除盐装置，解决现有电收附装置除盐效率低，成本费用高的问题。
为了实现上述的技术目的，本发明是采用以下技术方案来实现的：
一种Al-ZnO-AC电极的制备方法，其特征在于按如下步骤实现：
A、将活性炭粉末在去离子水中煮沸2h，然后用电导率小于10us/cm的去离子水反复洗至电导率小于10us/cm，放入烘箱中干燥，待用；
B、用100mL水溶解Zn(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O，其中两者的质量比Al(NO3)3·9H2O：Zn(NO3)2·6H2O=0.0063，加入3-5g柠檬酸和1-2g聚乙二醇，65℃下磁力搅拌30min，得到前驱体溶胶，脱水至形成原粉，制备得掺杂Al3+的纳米ZnO；
C、将上述原粉(10-15g)加入到6-8g活性炭中，置于管式炉中，氮气保护下以10oC/min的升温速度升至300oC，恒温2h，冷却后取出放入烘箱中待用；
D、将Al-ZnO-AC，PVDF，正丁醇按照质量比Al-ZnO-AC：PVDF：正丁醇=100-120：5-10：15-20的比例混合，室温下搅拌12h，在自制石墨板上刮膜，烘干，得到Al-ZnO-AC复合电极。
一种微咸水纳米电吸附除盐装置，其特征在于其包括微生物纳米球处理箱，电吸附电极装置；其中电吸附电极装置中设有所述的Al-ZnO-AC电极。
所述的一种微咸水纳米电吸附除盐装置，其特征在于按咸水流方向，进水口通过进水管与微生物纳米球处理箱进水端连接，微生物纳米球处理箱的出水端与增压泵进水端连接，增压泵出水端与高位水箱连接；高位水箱的下方设有流量计，由流量计控制与电吸附电极装置进水端连接，电吸附电极装置的出水端与出水水箱连接。
所述的微生物纳米球处理箱包括微生物纳米球主箱体、水封装置和呼吸器三大部分；微生物纳米球主箱体中分三层，每层由固定模板固定住微生物纳米球；水封装置由溢流管与微生物纳米球主箱体上端连通；呼吸器与微生物纳米球主箱体上端连通。
有益效果
经微生物纳米球处理箱处理过后的微咸水经过Al-ZnO-AC复合电极，由于复合电极的高除盐效果以及高吸附率，对微咸水进行充分除盐。并且，复合电极可循环利用率高，不易发生氧化。
附图说明
图1是本发明的微咸水纳米电吸附除盐装置的结构示意图；
图2是本发明的微生物纳米球处理箱的结构示意图；
附图中主要部件的说明：
1.进水口，2.进水水管，3.微生物纳米球处理箱，4.增压泵，5.高位水箱，6.流量计，7.电吸附电极装置，8.出水水箱，9.微生物纳米球主箱体，10.微生物纳米球，11.固定模板，12.溢流管，13.水封装置，14.呼吸器，15.出水管。
具体实施方式
实施例1
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
微咸水从进水口1进入，由进水水管2到达微生物纳米球处理箱3，经过微生物纳米球的处理后，由微生物纳米球处理箱3底部的出水管15流出，由增压泵4加压后，再通过增压泵4出口管，进入到高位水箱5，由于重力作用，微咸水流经流量计6，由流量计合理控制流量，然后进入电吸附电极装置7，由电吸附电极装置7中的Al-ZnO-AC电极进行彻底除盐，处理后的水，由出水水箱8流出。
其中所述的电吸附电极装置7中所用电极为Al-ZnO-AC电极，即Al掺杂纳米ZnO改性活性炭电极。其制作方法为：将活性炭粉末在去离子水中煮沸2h，然后用去离子水（电导率小于10us/cm）反复洗至电导率小于10us/cm，放入烘箱中干燥，待用。在一个200ml烧杯中用100mL水溶解质量比Al(NO3)3·9H2O：Zn(NO3)2·6H2O为0.0063的混合物，加入3-5g柠檬酸和1-2g聚乙二醇，65℃下磁力搅拌30min，得到前驱体溶胶，脱水至形成原粉，制备得掺杂Al3+的纳米ZnO。将上述原粉(10-15g)加入到6-8g活性炭中，置于管式炉中，氮气保护下以10℃/min的升温速度升至300℃，恒温2h，冷却后取出放入烘箱中待用。将Al-ZnO-AC，PVDF，正丁醇按照质量比Al-ZnO-AC：PVDF：正丁醇=100-120：5-10：15-20的比例混合，室温下搅拌12h，在自制石墨板上刮膜，烘干，得到Al-ZnO-AC复合电极。
所述的微生物纳米球处理箱3包括微生物纳米球主箱体9、水封装置13和呼吸器14三大部分。微生物纳米球主箱体9中分三层，每层由固定模板11固定住微生物纳米球10（其微生物纳米球10参照专利申请号为201210503044.7的专利制成）用以初步处理微咸水。水封装置13由溢流管12与微生物纳米球主箱体9连通，可使箱体具有良好的密封性。呼吸器14与微生物纳米球主箱体9上端连通，呼吸器14中设有溶液（如NaOH溶液）用于吸收杂质气体（如CO2），降低进入箱体的空气中杂质气体的含量。
实施例2
实验室配置一定量500mg/L的NaCl溶液，控制电压为1.2V，电极宽度为1.6cm，分别用实施例1的Al-ZnO-AC复合电极和普通AC电极（购自南京中东化玻仪器有限公司）进行处理，用METTLER TOLEDO FE30电导率仪测定其第一次和第二次的电导率，同时测定其比表面积。结果如下表：
表1AC电极和Al-ZnO-AC电极除盐的比较
| 电极 | 比表面积（m2/g） | 第一次除盐率 | 第二次除盐率 |
| AC电极 | 750-800 | 20-30% | 15%-20% |
| Al-ZnO-AC电极 | 1200-1400 | 60-70% | 55%-68% |
由表1可知，Al-ZnO-AC电极除盐率远高于普通AC电极，且其比表面积大大提高。而将配置的盐水通过完整的纳米电吸附装置时，相比于未设置微生物纳米球处理箱的Al-ZnO-AC电极处理，第一次的除盐率可提高5%-10%左右，第二次除盐率可提高8%-15%。第二次除盐率说明电极的重复使用率高。
实施例3
实验室配置一定量500mg/L的NaCl溶液，控制电压为1.2V，电极宽度为1.6cm，分别用实施例1的Al-ZnO-AC复合电极和普通AC电极（购自南京中东化玻仪器有限公司）进行处理，用METTLER TOLEDO FE30电导率仪测定其电导率，并计算NaCl的含量，及电极单位质量吸附量。结果如下表：
表2AC电极和Al-ZnO-AC电极吸附量的比较
| 电极 | NaCl最终浓度（mg/L） | 吸附容量（mg/g） |
| AC电极 | 400 | 2.39 |
| Al-ZnO-AC电极 | 160 | 8.13 |
由表2可知，Al-ZnO-AC电极吸附率是普通AC电极的3.4倍，吸附容量由2.39mg/g提高到8.13mg/g。大大提高了脱盐效率。
实施例4
分别准备实施例1的Al-ZnO-AC复合电极和普通AC电极，仍配置500mg/L的NaCl溶液，控制电压为1.2V，电极宽度为1.6cm，在电极吸附饱和后，加一个反向电压，使得电极脱盐，并循环5次，测定其电导率值，并计算脱附率。结果如下表：
表3AC电极和Al-ZnO-AC电极脱附率的比较
由表3可见，普通AC电极可重复使用率低，而本发明的Al-ZnO-AC电极重复使用时脱附率几乎接近100%，说明其重复使用率高，且不易发生氧化。
以上对本发明所提供的一种微咸水纳米电吸附除盐装置的方法进行了介绍，并应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种Al-ZnO-AC电极的制备方法，其特征在于按如下步骤实现：
将活性炭粉末在去离子水中煮沸2h，然后用电导率小于10us/cm的去离子水反复洗至电导率小于10us/cm，放入烘箱中干燥，待用；
用100mL水溶解Zn(NO3)2·6H2O 和Al(NO3)3·9H2O，其中两者的质量比Al(NO3)3·9H2O ：Zn(NO3)2·6H2O 为0.0063，加入3-5g柠檬酸和1-2g聚乙二醇，65oC下磁力搅拌30min，得到前驱体溶胶，脱水至形成原粉，制备得掺杂Al3+的纳米ZnO；
将上述原粉10-15g加入到6-8g活性炭中，置于管式炉中，氮气保护下以10oC/min的升温速度升至300oC，恒温2h，冷却后取出放入烘箱中待用；
将Al-ZnO-AC，PVDF，正丁醇按照质量比Al-ZnO-AC：PVDF：正丁醇为100-120：5-10：15-20的比例混合，室温下搅拌12h，在自制石墨板上刮膜，烘干，得到Al-ZnO-AC复合电极。
2.一种微咸水纳米电吸附除盐装置，其特征在于其包括微生物纳米球处理箱，电吸附电极装置；其中电吸附电极装置中设有权利要求1所述的Al-ZnO-AC电极。
3.根据权利要求2所述的一种微咸水纳米电吸附除盐装置，其特征在于按咸水流方向，进水口通过进水管与微生物纳米球处理箱进水端连接，微生物纳米球处理箱的出水端与增压泵进水端连接，增压泵出水端与高位水箱连接；高位水箱的下方设有流量计，由流量计控制与电吸附电极装置进水端连接，电吸附电极装置的出水端与出水水箱连接。
4.根据权利要求2或3所述一种微咸水纳米电吸附除盐装置，其特征在于所述的微生物纳米球处理箱包括微生物纳米球主箱体、水封装置和呼吸器三大部分；微生物纳米球主箱体中分三层，每层由固定模板固定住微生物纳米球；水封装置由溢流管与微生物纳米球主箱体上端连通；呼吸器与微生物纳米球主箱体上端连通。
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