CN105797483A - 电动污泥脱水设备用石墨烯导电复合材料滤布及其制作方法和安装使用方法 - Google Patents

电动污泥脱水设备用石墨烯导电复合材料滤布及其制作方法和安装使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动污泥脱水设备用石墨烯导电复合材料滤布及其制作方法和安装使用方法。先制备稳定分散的石墨烯分散液；然后，将滤布浸泡在石墨烯分散液中6‑10h后取出，在80‑160℃下烘烤6‑10h；或者，在滤布编织之前将纤维单丝放在石墨烯分散液中浸泡0.5‑5h，或从石墨烯分散液中经过一下，使石墨烯附在纤维单丝上再进行滤布的编织，制成石墨烯导电复合材料滤布。将石墨烯导电复合材料滤布安装在板框式压滤设备的阳极滤框上，与直流电源正极连接，做电动阳极使用。本发明中用石墨烯复合材料做阳极材料，不仅导电性能优异，且具有很好的耐化学和电化学腐蚀性。将石墨烯阳极材料与滤布一体化，简化了设备核心组件的结构。

Description

电动污泥脱水设备用石墨烯导电复合材料滤布 及其制作方法和安装使用方法
技术领域
本发明属于污泥脱水技术领域，涉及一种电动(电渗透)污泥脱水设备用石墨烯导电复合材料滤布及其制作方法和安装使用方法。
背景技术
为了使城镇污泥满足后续处置要求，很多污泥处理企业采用板框压滤方式进行脱水。传统的板框压滤调理方式是加入污泥干基的5％～10％三氯化铁、20％～30％生石灰等无机调理剂进行调理。该调理技术未真正达到污泥减量的目的，污泥热值也进一步降低。
污泥电动脱水是通过加载直流电压，利用电动现象对污泥进行脱水的方法。电动现象是指溶胶粒子的运动与电性能之间关系所产生的现象。是电泳、电渗析、流动电位与沉降电位等四种电动现象的总称。电动使污泥能够脱除表面水和胞内水，适用性强于普通机械脱水方法。目前不少污泥脱水将板框压滤脱水技术和电渗析脱水技术进行结合，以增强高干板框脱水机的污泥脱水效果。
目前将板框压滤脱水技术和电渗析脱水技术相结合的新型板框脱水设备——电动脱水设备，其阳极材料多为钛合金(中国专利申请号201410062496.5)或钢板等金属材质(中国专利申请号201410411170.9)或添加了金属材料的复合结构。使用导电性能好的金属材料进行电渗透脱水时，会引起腐蚀，阳极使用寿命短，设备效率随着使用时间增长而降低，同时易导致阳极附近的污泥受到污染。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于板框压滤脱水技术和电渗析脱水技术相结合的新型板框脱水设备——电动板框压榨机的阳极材料，即一种电动污泥脱水设备用石墨烯导电复合材料滤布及其制作方法和安装使用方法。
本发明的技术方案如下：
一种电动污泥脱水设备用石墨烯导电复合材料滤布的制作方法，按如下步骤进行：
(一)、先制备石墨烯分散液；
(二)、按如下三种方法制作石墨烯导电复合材料滤布：
方法一：将滤布浸泡在石墨烯分散液中6～10小时后取出，在80～160℃下烘烤6～10小时，制成石墨烯导电复合材料滤布；
方法二：在滤布编织之前，将编织滤布的原材料纤维单丝放在石墨烯分散液中浸泡0.5～5小时，使石墨烯附在纤维单丝上，然后再进行滤布的编织，制成石墨烯导电复合材料滤布；
方法三：在纤维单丝的生产过程中的上油工序中，将纤维单丝从石墨烯分散液中经过一下，使石墨烯附在纤维单丝上；然后，纤维单丝在120～170℃下进行干燥致密；之后，再进行滤布的编织，制成石墨烯导电复合材料滤布。
上述三种方法可任选其中的一种，制得的石墨烯改性导电复合材料滤布具有良好的透水性能和导电性能。其中，方法二和方法三中所述的“单丝体相扩散”的方法，可以很好地解决石墨烯的粘附问题，还能降低电阻，提高导电性能。
上述步骤(一)中，按如下方法制备石墨烯分散液：将石墨烯粉体均匀分散于水或有机溶剂中，制得稳定分散的石墨烯分散液；其中：
所述的均匀分散方法可以是高速剪切分散、乳化分散、超声分散、研磨分散或球磨分散等方法。
所述的石墨烯粉体，可以是还原氧化石墨烯或经液相剥离制备得到的高质量石墨烯。
所述的有机溶剂可以是：N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)、甲醇、乙醇、异丙醇、氯仿、二氯苯或甲苯等。
必要时可添加适量的表面活性剂以进一步提高分散性。
石墨烯水溶液的制备方法优选按照申请号为201410196389.1的中国专利申请中公布的方法进行制备，该方法以石墨烯量子点为分散剂，利用石墨烯量子点在水溶液中良好的分散性，及其与石墨烯片层之间较强的非共价作用，促进石墨烯粉体在水相的稳定分散。该方法制备石墨烯水溶液的具体步骤如下：
(1)将石墨烯粉体和石墨烯量子点按质量比1:0.2～10加入去离子水中，获得石墨烯悬浊液；其中石墨烯在水中的含量为0.01-5mg/mL；所述的石墨烯粉体，可以是还原氧化石墨烯或经液相剥离制备得到的高质量石墨烯，厚度为1-10个原子层；所述的石墨烯量子点是各种碳源经强酸氧化法、二次氧化法、水热法或溶剂热法制备得到的，其中碳和氧原子的含量比为2-20：1，平均横向尺寸小于100nm。
(2)机械分散上述石墨烯悬浊液，获得稳定分散的石墨烯水溶液。
上述步骤(二)中，所述的滤布可以是丙纶纤维滤布、涤纶纤维滤布、聚酯纤维滤布等等，优选聚丙烯纤维滤布(即丙纶纤维滤布)；所述的纤维单丝优选聚丙烯纤维单丝。
本发明所述的一种石墨烯导电复合材料滤布，就是按上述方法制作而成的。
将上述石墨烯导电复合材料滤布按一定的安装方式安装在板框压榨机压榨机的阳极滤框上，作为阳极材料使用。
上述石墨烯导电复合材料滤布的安装使用方法如下：
将石墨烯导电复合材料滤布直接替代常规电动板框压榨机的阳极滤框上的普通滤布，亦即：将石墨烯导电复合材料滤布直接作为电动板框压榨机的阳极滤框上的滤布，安装在阳极滤框上，通过金属导线与电源正极相连接，做阳极使用。(如图1所示)
为了使浸湿的阳极滤布和阴极滤布之间达到绝缘，在阳极滤布(即石墨烯导电复合材料滤布)的外表面四周边缘处设置一圈厚度2-5mm的橡胶绝缘层或环氧树脂绝缘层，尤其可防止石墨烯复合材料滤布与金属过渡层(指石墨烯复合材料滤布与电源正极连接的金属导线)之间出现电化学腐蚀(如图2所示)。
本发明的有益效果：
1、本发明提出了一种全新的非金属阳极材料，将石墨烯吸附在丙纶纤维(聚丙烯纤维)滤布上形成能导电的石墨烯复合材料滤布，克服了传统金属阳极材料容易腐蚀的致命缺陷，大大延长了阳极材料的使用寿命，同时大幅度降低了阳极材料的损耗费用。
2、这项技术极大地推动和提高了电渗析技术与板框压榨机技术相结合的发展。
3、石墨烯导电复合材料作为阳极滤布，不仅导电性能优异，且具有很好的耐化学和电化学腐蚀的功能。
4、本发明中将石墨烯阳极材料与滤料(滤布)一体化，使设备核心组件的结构变简单，简化了设备核心组件的结构。
5、本发明中的石墨烯阳极材料直接与污泥接触，提高了电动场的工作效率。
附图说明
图1是本发明的石墨烯导电复合材料滤布直接作为阳极滤框的滤布使用的示意图；
图2是本发明的石墨烯导电复合材料滤布-绝缘层的结构示意图；
图3是电动板框压榨机的阴极滤框的结构示意图。
图中：1、阳极滤框 2、石墨烯导电复合材料滤布 3、普通滤布
4、绝缘层 5、金属导线 6、阴极滤框
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
本发明一种石墨烯导电复合材料滤布，它是按如下方法制作而成的：
(一)、石墨烯水溶液的制备
称取20mg还原氧化石墨烯粉体，10mg石墨烯经浓硫酸、或浓硫酸和浓硝酸的混合酸氧化裁剪获得的石墨烯量子点粉体，其中碳和氧原子含量比为20：1，平均横向尺寸约为10nm。将上述两种粉体加入到40mL去离子水中，制备得到石墨烯和石墨烯量子点的混合悬浊液，超声分散上述悬浊液，得到稳定分散的石墨烯水溶液。
(二)、石墨烯导电复合材料滤布的制作
将聚丙烯纤维(丙纶纤维)滤布放在石墨烯水溶液中浸泡8小时后取出，在120℃下烘烤8小时，即制成石墨烯导电复合材料滤布。该滤布具有良好的透水性能和导电性能。
上述石墨烯导电复合材料滤布的安装使用方法如下：
如图1、图2所示，本发明的石墨烯导电复合材料滤布2，替代常规电动板框压榨机的阳极滤框1上的普通滤布，直接作为阳极滤框1的滤布，安装在阳极滤框1上；该石墨烯导电复合材料滤布2通过金属导线5与电源正极相连接，做阳极使用；在石墨烯导电复合材料滤布2的外表面四周边缘处设有一圈厚度3mm的环氧树脂绝缘层4。如图3所示，该电动板框压榨机的阴极滤框6仍采用普通滤布3。
实施例2
本发明一种石墨烯导电复合材料滤布，它是按如下方法制作而成的：
(一)、石墨烯水溶液的制备
称取5mg液相剥离制备的石墨烯粉体，30mg氧化石墨烯经DMF溶剂热法裁剪获得的石墨烯量子点粉体，其中碳和氧原子含量比为5：1，平均横向尺寸约为2nm。将上述两种粉体加入到40mL去离子水中，制备得到石墨烯和石墨烯量子点的混合悬浊液，超声分散上述悬浊液，得到稳定分散的石墨烯水溶液。
(二)、石墨烯导电复合材料滤布的制作
将聚丙烯纤维(丙纶纤维)滤布放在石墨烯水溶液中浸泡10小时后取出，在80℃下烘烤6小时，即制成石墨烯导电复合材料滤布。该滤布具有良好的透水性能和导电性能。
上述石墨烯导电复合材料滤布的安装使用方法如下：
如图1、图2所示，本发明的石墨烯导电复合材料滤布2，替代常规电动板框压榨机的阳极滤框1上的普通滤布，直接作为阳极滤框1的滤布，安装在阳极滤框1上；该石墨烯导电复合材料滤布2通过金属导线5与电源正极相连接，做阳极使用；在电动板框压榨机的阳极滤框的滤布(石墨烯导电复合材料滤布2)的外表面四周边缘处设有一圈厚度2-5mm的橡胶绝缘层4。如图3所示，该电动板框压榨机的阴极滤框6仍采用普通滤布3。
实施例3
本发明一种石墨烯导电复合材料滤布，它是按如下方法制作而成的：
(一)、将还原氧化石墨烯粉体采用超声分散方法均匀分散于有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，制得稳定分散的石墨烯分散液；
(二)、石墨烯导电复合材料滤布的制作
将聚丙烯纤维(丙纶纤维)滤布放在石墨烯分散液中浸泡6小时后取出，在160℃下烘烤10小时，即制成石墨烯导电复合材料滤布。该滤布具有良好的透水性能和导电性能。
上述石墨烯导电复合材料滤布的安装使用方法如下：
如图1、图2所示，本发明的石墨烯导电复合材料滤布2，替代常规电动板框压榨机的阳极滤框1上的普通滤布，直接作为阳极滤框1的滤布，安装在阳极滤框1上；该石墨烯导电复合材料滤布2通过金属导线5与电源正极相连接，做阳极使用；在电动板框压榨机的阳极滤框的滤布(石墨烯导电复合材料滤布2)的外表面四周边缘处设有一圈厚度2-5mm的环氧树脂绝缘层4。如图3所示，该电动板框压榨机的阴极滤框6仍采用普通滤布3。
实施例4
本发明一种石墨烯导电复合材料滤布，它是按如下方法制作而成的：
(一)、石墨烯水溶液的制备
称取40mg还原氧化石墨烯粉体，10mg石墨烯量子点粉体，其中碳和氧原子含量比为20：1，平均横向尺寸约为25nm。将上述两种粉体加入到40mL去离子水中，制备得到石墨烯和石墨烯量子点的混合悬浊液，超声分散上述悬浊液，得到稳定分散的石墨烯水溶液。
(二)、石墨烯导电复合材料滤布的制作
在滤布编织之前，将编织滤布的原材料聚丙烯纤维单丝放在石墨烯水溶液中浸泡5小时，使石墨烯附在聚丙烯纤维单丝上，然后再按常规方法进行滤布的编织，制备得到石墨烯导电复合材料滤布。
实施例5
本发明一种石墨烯导电复合材料滤布，它是按如下方法制作而成的：
(一)、将还原氧化石墨烯粉体采用超声分散方法均匀分散于有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，制得稳定分散的石墨烯分散液；
(二)、石墨烯导电复合材料滤布的制作
在滤布编织之前，在编织滤布的原材料聚丙烯纤维单丝的生产过程中的上油工序中，将纤维单丝从石墨烯分散液中经过一下，使石墨烯附在纤维单丝上；然后，纤维单丝在170℃下进行干燥致密；之后，再按常规方法进行滤布的编织，制成石墨烯导电复合材料滤布。
实施例6
本发明一种石墨烯导电复合材料滤布，它是按如下方法制作而成的：
(一)、将经液相剥离制备得到的高质量石墨烯粉体，添加适量的表面活性剂，采用乳化、高速剪切分散方法均匀分散于有机溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，制得稳定分散的石墨烯分散液；
(二)、石墨烯导电复合材料滤布的制作
在滤布编织之前，将编织滤布的原材料聚酯纤维单丝放在石墨烯分散液中浸泡5小时，使石墨烯附在聚酯纤维单丝上，然后再按常规方法进行滤布的编织，制备得到石墨烯导电复合材料滤布。
实施例7
常规板框压榨机压榨机，与石墨烯导电复合材料滤布做阳极的电动板框压榨机的对比脱水实验
A)常规板框压榨机压榨机脱水实验：
将含水率为85％的污泥泵入常规板框压榨机压榨机内，泵入压力0.6-0.9Mpa，2.5Mpa压榨压力维持55分钟，压榨后泥饼含水率降至65％。
B)石墨烯导电复合材料滤布做阳极的电动板框压榨机脱水实验：
将石墨烯导电复合材料滤布替代常规电动板框压榨机的阳极滤框1上的普通滤布，做阳极使用。
将含水率为85％的污泥泵入装有石墨烯导电复合材料滤布做阳极的电动板框压榨机内，泵入压力0.6-0.9Mpa，通入直流电(电压18V)12分钟，压榨压力2.5Mpa维持15分钟，压榨后泥饼含水率降至55％。
实施例8
不锈钢做阳极的电动板框压榨机，与石墨烯导电复合材料滤布做阳极的电动板框压榨机的对比脱水实验
A)不锈钢做阳极的电动板框压榨机脱水实验：
将含水率为85％的污泥泵入不锈钢做阳极的电动板框压榨机内，泵入压力0.6-0.9Mpa，通入直流电(电压位置18V)12分钟，压榨压力2.5Mpa维持15分钟，压榨后泥饼含水率降至56％。
上述实验重复进行30批次，不锈钢阳极出现腐蚀凹坑，腐蚀明显。
B)石墨烯导电复合材料滤布做阳极的电动板框压榨机脱水实验：
将含水率为85％的污泥泵入装有石墨烯导电复合材料滤布做阳极的电动板框压榨机内，泵入压力0.6-0.9Mpa，通入直流电(电压18V)12分钟，压榨压力2.5Mpa维持15分钟，压榨后泥饼含水率降至55％。
上述实验重复进行30批次，石墨烯导电复合材料滤布无表观变化，腐蚀不明显。

Claims (10)

1.一种电动污泥脱水设备用石墨烯导电复合材料滤布的制作方法，其特征在于，按如下步骤进行：
(一)、先制备石墨烯分散液；
(二)、按如下三种方法制作石墨烯导电复合材料滤布：
方法一：将滤布浸泡在石墨烯分散液中6～10小时后取出，在80～160℃下烘烤6～10小时，制成石墨烯导电复合材料滤布；
方法二：在滤布编织之前，将编织滤布的原材料纤维单丝放在石墨烯分散液中浸泡0.5～5小时，使石墨烯附在纤维单丝上，然后再进行滤布的编织，制成石墨烯导电复合材料滤布；
方法三：在纤维单丝的生产过程中的上油工序中，将纤维单丝从石墨烯分散液中经过一下，使石墨烯附在纤维单丝上；然后，纤维单丝在120～170℃下进行干燥致密；之后，再进行滤布的编织，制成石墨烯导电复合材料滤布。
2.如权利要求1所述的电动污泥脱水设备用石墨烯导电复合材料滤布的制作方法，其特征在于，步骤(一)中，按如下方法制备石墨烯分散液：将石墨烯粉体均匀分散于水或有机溶剂中，制得稳定分散的石墨烯分散液。
3.如权利要求2所述的电动污泥脱水设备用石墨烯导电复合材料滤布的制作方法，其特征在于，所述的石墨烯粉体，是还原氧化石墨烯或经液相剥离制备得到的高质量石墨烯；所述的均匀分散方法是高速剪切分散、乳化分散、超声分散、研磨分散或球磨分散。
4.如权利要求2所述的电动污泥脱水设备用石墨烯导电复合材料滤布的制作方法，其特征在于，所述的有机溶剂是：N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、氯仿、二氯苯或甲苯。
5.如权利要求2所述的电动污泥脱水设备用石墨烯导电复合材料滤布的制作方法，其特征在于，添加适量的表面活性剂，进一步提高分散性。
6.如权利要求1或2所述的电动污泥脱水设备用石墨烯导电复合材料滤布的制作方法，其特征在于，步骤(二)中，所述的滤布为聚丙烯纤维滤布；所述的纤维单丝为聚丙烯纤维单丝。
7.一种按如权利要求1-6任一所述的方法制作而成的电动污泥脱水设备用石墨烯导电复合材料滤布。
8.一种如权利要求7所述的电动污泥脱水设备用石墨烯导电复合材料滤布的安装使用方法，其特征在于，将石墨烯导电复合材料滤布直接作为电动板框压榨机的阳极滤框上的滤布，安装在阳极滤框上，通过金属导线与电源正极相连接，做阳极使用。
9.如权利要求8所述的电动污泥脱水设备用石墨烯导电复合材料滤布的安装使用方法，其特征在于，在石墨烯导电复合材料滤布的外表面四周边缘处设置一圈橡胶绝缘层或环氧树脂绝缘层。
10.如权利要求9所述的电动污泥脱水设备用石墨烯导电复合材料滤布的安装使用方法，其特征在于，所述橡胶绝缘层或环氧树脂绝缘层的厚度为2-5mm。
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