CN104743644B

CN104743644B - 水处理用电极膜及其制备与应用

Info

Publication number: CN104743644B
Application number: CN201310739639.7A
Authority: CN
Inventors: 张毅
Original assignee: Nippon Valqua Industries Ltd
Current assignee: Co Walka
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2018-02-06
Anticipated expiration: 2033-12-27
Also published as: CN104743644A

Abstract

本发明涉及一种水处理用电极膜及其制备与应用。本发明的水处理用电极膜，包括下列重量百分比的组分：吸附物质55％～86％；亲水性物质2％～25％；导电性物质5％～15％；粘合剂5％～15％。本发明的水处理用电极膜经辊筒碾压成型。该水处理用电极膜可以卷曲，机械性能十分优良，可作为电吸附除盐装置中的电极组成部分。

Description

水处理用电极膜及其制备与应用

技术领域

本发明涉及一种水处理用材料，尤其涉及一种水处理用电极膜及其制备与应用。

背景技术

随着经济发展的不断进行，水资源的利用越来越严峻，对废水的处理再利用，海水淡化等显得非常有意义。

现有的水处理除盐方法包括：离子交换法、反渗透法、蒸馏法和电吸附法。离子交换法需要酸碱再生，其再生频率大，酸碱用量大，对周围的水和大气环境均有较大程度的影响。反渗透法预处理要求较高、初期投资较大。而蒸馏法除盐对设备材质的要求高，运行中需消耗大量的热量，运行费用极高，难以工业化推广。

电吸附除盐的基本原理是利用原水在阴阳电极之间流动,通电时水中离子将分别向带相反电荷的电极迁移并被该电极吸附在电极表面形成双电层。随着离子/带电粒子在电极表面富集浓缩,使通道水中的溶解盐类、胶体颗粒及其他带电物质的浓度大大降低,从而实现了水的除盐、去硬度及净化。再生时短接电极,被吸附的离子又从电极表面释放,电极得到再生。电吸附技术所需电流仅用于给吸附电极溶液界面的双电层充电,因此电吸附本质是一个低电耗过程。所述电吸附是一种将电化学理论与吸附分离技术结合的技术,不仅可以有效脱除盐分,还避免了热再生,节约能耗,是一种清洁技术。

电吸附技术除盐中,电极是关键。但是目前电吸附所用电极多为模块式电极。模块式电极的电极面积不能完全被利用，且电极的机械性能较差，亲水性也不佳。CN201210197297.6记载了一种电吸附活性炭电极，为管桩型块电极，是在改性后的活性炭管内部填充石墨粉两端密封后制得，但是管桩型块的电极制备方法复杂，机械性能也不佳,且受制于形状的限制,在一些多层状处理设备中很难有效利用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种水处理用电极膜及其制备与应用。

本发明的水处理用电极膜特别适用于电容吸附法脱盐水处理（简称：电吸附除盐）。

本发明首先公开了一种水处理用电极膜，包括下列重量百分比的组分：

较佳的，所述水处理用电极膜，包括下列重量百分比的组分：

所述吸附物质选自活性炭、石墨、活性炭纤维。较佳的物质为活性炭，所述活性炭的比表面积在1400m²/g以上；平均粒径为4μm-20μm,密度为0.3-0.6g/cm³。满足该要求的活性炭可为椰壳类活性炭。

所述亲水性物质为硅胶粉。较佳的，所述硅胶粉平均粒径为3μm～10μm；细孔容积为0.5mL/g以上。

所述导电性物质选自碳黑、石墨。较佳的，所述碳黑平均粒径为1nm-100nm,电阻率为0.3Ω.cm以下。所述导电性物质的含量可进一步优选5-10%。

所述粘合剂选自聚四氟乙烯（PTFE）、聚全氟乙丙烯（FEP）。

所述水处理用电极膜的密度为0.46～0.64g/cm³，优选0.48-0.62g/cm³。

所述水处理用电极膜的厚度一般可为0.15～1.0mm，优选0.24mm-0.30mm。

所述水处理用电极膜的宽度可选择400mm以下的任意宽度，较佳的为50mm-400mm。

本发明的水处理用电极膜为可卷曲的膜状制品。该水处理用电极膜柔软富有韧性、为可连续卷曲的布状薄膜。

本发明的水处理用电极膜并不需要附着于独立的金属膜或其它独立的导电性材料膜之上，就可以单独成型。

本发明的水处理用电极膜经辊筒碾压成型。

具体的，所述水处理用电极膜的加工工艺包括：材料混合、预成型、辊筒碾压、干燥、剪切。

其中材料混合时，首先将吸附材料，亲水性物质、导电性物质在加入适量助剂的条件下混合均匀，然后加入粘合剂进行混合。

所述助剂优选为2－丁醇及去离子水的混合物。

辊筒碾压时，温度设定为：20～200℃。通常使用压力范围为：0.01t/cm²～2t/cm²。

本发明的水处理用电极膜可用于水处理领域。具体的，可用于脱盐水处理领域。更为具体的，为电吸附除盐领域。

本发明的水处理用电极膜可用作水处理装置里的电极组成部分，用于电吸附除盐。这种水处理装置的有可能应用的范围包括高盐度水脱盐处理，水中重金属离子去除，海水淡化等。

本发明水处理用电极膜可以卷曲，机械性能十分优良，因此在作为电吸附除盐装置中的电极时，可以经由自动化设备冲压或模切成任意形状的薄膜，便于除盐装置的结构设计，以及大规模批量生产。

本发明的水处理用电极膜除盐的原理在于：利用了电极膜中活性吸附物质在通电的情况下对水中盐离子进行吸附，使通过的水中的离子浓度降低，并通过改变电极的正负极性，达到去除电极上所吸附盐离子，重复循环使用的功效。

本发明的效果：本发明主要利用了PTFE纤维化以及辊筒碾压成型技术，将一些特殊性功能粉体(包含活性炭、硅胶粉、碳黑)粘合成连续的，可以卷取的膜状制品，因此，本发明电极膜的机械性能十分优良，滚筒碾压的特性，保证了膜产品具有较高的密度，相比起普通涂布型产品，大大增加了单位面积上的有效吸附物质的量，且吸附层厚度（膜厚度）可以做到0.15mm～1mm大大超出了涂布型的范围；该方法利用氟树脂纤维化的方式来实现材料的粘合，且氟树脂的使用量较少，从而保证了吸附材料内部孔道不被阻塞，相比其它胶水、橡胶类粘合剂产品在吸附性能以及使用寿命上都有很大改善。此外，相比现有技术，本发明的水处理用电极膜还具备突出的亲水、吸水性，当产品侵入到水中时，水可以迅速的浸入到制品内，从而提高吸附初期的速度。

附图说明

图1显示为本发明水处理用电极膜的结构示意图。

1：纤维化PTFE

2：活性炭粉末

3：碳黑粉末

4：硅胶粉末

图2显示为本发明水处理用电极膜卷曲状态图。

图3本发明电极膜脱盐吸附原理图

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本发明的具体实例中，水处理电极膜采用下列方法制备：

制备工艺的基本步骤包括：材料混合、预成型、辊筒碾压、干燥和剪切。

先将吸附材料，亲水性物质、导电性物质在加入适量助剂的条件下混合均匀，然后加入粘合剂进行混合，整个混合过程可在常温常压下进行。较佳的，粘合剂加入后，混合温度在10～35℃之间为佳。

在材料混合时，以2－丁醇及去离子水作为助剂。其中，2-丁醇的加入量为所述吸附材料、亲水性物质、导电性物质及粘合剂的总重量的50-500wt%,较佳为80-150wt%，所述2－丁醇与去离子水的重量比为0.1-5.5：1，较佳为1.25-5.5:1，更佳为3.75-5.5:1。

预成型的具体方法为：将混合好的材料，放置在有一定容积的材料箱内，通过给压设备给予材料一定的压力，使其粘合在一起，为辊筒碾压做准备，给予材料的压力范围一般为：0.05～0.4t/cm²，较佳为0.15-0.3t/cm²。

辊筒碾压时，温度设定：20～200℃，优选40～180℃；通常使用压力范围：0.01t/cm²～2t/cm²，优选0.1t/cm²～2t/cm²。速度设定一般为：0.01m/min～8m/min。

干燥可在有通风的条件下进行，以挥发掉助剂为目的。根据所选粘合剂的不同，PTFE作为粘合剂的情况下,干燥温度不超过260℃，FEP为粘合剂的情况下,干燥温度不要超过200℃。

以下结合具体案例进行进一步说明。

实施例1水处理电极膜的制备

原料来源：

活性炭：要求选用比表面积在1400m²/g以上；平均粒径为4μm-20μm,密度为0.3-0.6g/cm³

的活性炭。实施例中具体选用KURARAY YP50F，比表面积：1600～1800m²/g，平均粒径：5～8um，密度：0.4～0.5g/cm³。

硅胶粉：要求选用平均粒径为3μm～10μm；细孔容积为0.5mL/g以上的硅胶粉。实施例中具体选用FUJI SYLISIA550，平均粒径：3.9μm细孔容积：1.25mL/g。

碳黑：要求选用平均粒径为1nm-100nm,电阻率为0.3Ω.cm以下的碳黑。实施例中具体选用DENKA（碳黑1）50％压缩平均粒径：36nm，电阻率：0.3Ω﹒cm以下；柯琴黑ECP600JD（碳黑2）。

PTFE：大金D210C

按下列配合比制备：

配合比例1：

活性炭	硅胶粉	碳黑1	PTFE
				65％	20％	5％	10％

制备步骤：

使用螺旋桨式搅拌机将称量好的650g（65wt％）活性炭粉（YP50F），200g（20wt％）硅胶粉（FUJI SYLISIA550），50g（5wt％）碳黑粉（Denka50％压缩）在低速（50转/分）下混合均匀，加入助剂2－丁醇800g＋200g去离子水在中速（150转/分）搅拌的情况下润湿上述粉体材料，最后加入PTFE乳液（大金D210C,固体含量61％）164g（10wt％），在高速（250转/分）下搅拌1分钟，保持搅拌容器内温度在20～35℃之间；材料搅拌完成后，进行预先挤压，压力设定0.15t/cm²，然后经滚筒碾压，使用压力为0.5t/cm²，设定滚筒间距0.2mm,滚筒温度80℃，干燥裁切后得到厚度为0.3mm的200mm宽左右的膜状制品。

配合比例2：

活性炭	硅胶粉	碳黑1	PTFE
				55％	25％	5％	15％

制备步骤：

使用螺旋桨式搅拌机将称量好的550g（55wt％）活性炭粉（YP50F），250g（25wt％）硅胶粉（FUJI SYLISIA550），50g（5wt％）碳黑粉（Denka50％压缩）在低速（50转/分）下混合均匀，加入助剂2－丁醇1000g＋800g去离子水在中速（150转/分）搅拌的情况下润湿上述粉体材料，最后加入PTFE乳液（大金D210C,固体含量61％）246g（15wt％），在高速（250转/分）下搅拌30秒，保持搅拌容器内温度在10～20℃之间；材料搅拌完成后，进行预先挤压，压力设定0.2t/cm²，然后经滚筒碾压，使用压力为1.5t/cm²，设定滚筒间距0.35mm,滚筒温度40℃，干燥裁切后得到厚度为0.5mm的400mm宽左右的膜状制品。

配合比例3：

活性炭	硅胶粉	碳黑1	PTFE
				63％	20％	7％	10％

制备步骤：

使用螺旋桨式搅拌机将称量好的630g（63wt％）活性炭粉（YP50F），200g（20wt％）硅胶粉（FUJI SYLISIA550），70g（7wt％）碳黑粉（Denka 50％压缩）在低速（50转/分）下混合均匀，加入助剂2－丁醇1100g＋200g去离子水在中速（150转/分）搅拌的情况下润湿上述粉体材料，最后加入PTFE乳液（大金D210C,固体含量61％）164g（10wt％），在高速（250转/分）下搅拌30秒，保持搅拌容器内温度在20～35℃之间；材料搅拌完成后，进行预先挤压，压力设定0.08t/ cm²，然后经滚筒碾压，使用压力为0.1t/ cm²，设定滚筒间距0.5mm,滚筒温度180℃，干燥裁切后得到厚度为0.7mm的100mm宽左右的膜状制品。

配合比例4：

活性炭	硅胶粉	碳黑2	PTFE
				86％	2％	7％	5％

制备步骤：

使用螺旋桨式搅拌机将称量好的860g（86wt％）活性炭粉（YP50F），20g（2wt％）硅胶粉（FUJISYLISIA550），70g（7wt％）碳黑粉（Denka 50％压缩）在低速（50转/分）下混合均匀，加入助剂2－丁醇1500g＋400g去离子水在中速（150转/分）搅拌的情况下润湿上述粉体材料，最后加入PTFE乳液（大金D210C,固体含量61％）82g（5wt％），在高速（250转/分）下搅拌30秒，保持搅拌容器内温度在20～35℃之间；材料搅拌完成后，进行预先挤压，压力设定0.3t/ cm²，然后经滚筒碾压，使用压力为2t/ cm²，设定滚筒间距0.2mm,滚筒温度100℃，干燥裁切后得到厚度为0.3mm的50mm宽左右的膜状制品。

配合比例5

活性炭	硅胶粉	碳黑1	PTFE
				60％	15％	15％	10％

制备步骤：

使用螺旋桨式搅拌机将称量好的600g（60wt％）活性炭粉（YP50F），150g（15wt％）硅胶粉（FUJI SYLISIA550），150g（15wt％）碳黑粉（Denka 50％压缩）在低速（50转/分）下混合均匀，加入助剂2－丁醇800g＋200g去离子水在中速（150转/分）搅拌的情况下润湿上述粉体材料，最后加入PTFE乳液（大金D210C,固体含量61％）164g（10wt％），在高速（250转/分）下搅拌1分钟，保持搅拌容器内温度在20～35℃之间；材料搅拌完成后，进行预先挤压，压力设定0.15t/cm²，然后经滚筒碾压，使用压力为1.5t/cm²，设定滚筒间距0.2mm,滚筒温度60℃，干燥裁切后得到厚度为0.3mm的200mm宽左右的膜状制品。

实施例2本发明水处理用电极膜的检测

1.制品的吸水性的检测：

检测方法：测试样品在150摄氏度下干燥1小时，然后将15ul纯水滴到测试样品表面，观察测试样品表面纯水被完全吸入的时间。

测试样品厚度：0.27mm。

本实施例中的各电极膜分别采用实施例1中对应配合比例中的原料及配比，制备方法也大致相同，不同仅在于通过变化滚筒碾压的压力、次数以及间距来获得符合要求的样品厚度及密度。

水的吸收速度试验结果：

配合比例	密度（g/cm³）	吸水时间（s）
			配合比例1-a	0.56	140
配合比例1-b	0.62	200
			配合比例2	0.57	433
配合比例3	0.57	153
			配合比例4	0.48	130
配合比例5	0.58	240

2.电阻率检测

电阻率检测方法：四针探角测试法（参考JIS K7194文献操作）

测试样品厚度：0.27mm。

电阻率检测结果：

配合比例	密度（g/cm³）	体积电阻率（Ω.cm）
			配合比例1	0.56	14.2
配合比例1	0.62	7.4
			配合比例2	0.57	39.5

配合比例3	0.57	13.9
			配合比例4	0.48	1.4
配合比例5	0.58	6.2

将该电极膜在水处理设备上进行试运转，初期取得了良好的效果，可满足工业用水的脱盐、净化要求。该电极膜亦可尝试应用于饮用水的脱盐处理。理论上电吸附方式可以无限的降低水中离子的浓度,结合能耗,效率等各方面因素,根据处理源水的不同,采用本发明的电极膜，实际工业用水总体除盐率控制在50%～80%之间,具有良好的利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种水处理用电极膜，包括下列重量百分比的材料组分：

所述水处理用电极膜不附着于独立的金属膜或其它独立的导电性材料膜之上，就单独成型，且所述水处理用电极膜采用包括下列步骤的方法制备获得：材料混合、预成型、辊筒碾压、干燥、剪切。

2.如权利要求1所述的水处理用电极膜，包括下列重量百分比的材料组分：

3.如权利要求1或2所述水处理用电极膜，其特征在于，所述吸附物质选自活性炭、石墨和活性炭纤维中的至少一种；所述亲水性物质为硅胶粉；所述导电性物质选自碳黑和石墨中的至少一种；所述粘合剂选自聚四氟乙烯和聚全氟乙丙烯中的至少一种。

4.如权利要求3所述水处理用电极膜，其特征在于，所述活性炭的比表面积在1400m²/g以上；平均粒径为4μm-20μm,密度为0.3-0.6g/cm³。

5.如权利要求3所述水处理用电极膜，其特征在于，所述硅胶粉平均粒径为3μm～10μm；细孔容积为0.5mL/g以上。

6.如权利要求3所述水处理用电极膜，其特征在于，所述碳黑平均粒径为1nm-100nm,电阻率为0.3Ω.cm以下。

7.如权利要求1所述水处理用电极膜，其特征在于，所述水处理用电极膜的密度为0.46～0.64g/cm³。

8.如权利要求7所述水处理用电极膜，其特征在于，所述水处理用电极膜的密度为0.48-0.62g/cm³。

9.如权利要求1所述水处理用电极膜，其特征在于，所述水处理用电极膜的厚度为0.15～1.0mm。

10.如权利要求9所述水处理用电极膜，其特征在于，所述水处理用电极膜的厚度为0.24mm-0.30mm；所述水处理用电极膜的宽度为400mm以下。

11.权利要求1-10任一权利要求所述水处理用电极膜的制备方法，包括下列步骤：材料混合、预成型、辊筒碾压、干燥、剪切。

12.如权利要求11所述水处理用电极膜的制备方法，其特征在于，所述材料混合时，首先将吸附材料，亲水性物质、导电性物质在加入适量助剂的条件下混合均匀，然后加入粘合剂进行混合。

13.如权利要求12所述水处理用电极膜的制备方法，其特征在于，所述助剂为2－丁醇和去离子水的混合物。

14.如权利要求11所述水处理用电极膜的制备方法，其特征在于，辊筒碾压时，温度为20～200℃；压力范围为0.01t/cm²～2t/cm²。

15.权利要求1-10任一权利要求所述水处理用电极膜在水处理领域的用途。

16.如权利要求15所述的用途，其特征在于，所述水处理用电极膜用作水处理装置里的电极组成部分，用于电吸附除盐。