CN111646550A - 一种高温微电解铁碳填料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温微电解铁碳填料及其制备方法，通过取质量份水、铁粉、碳粉和石墨烯进行第一次加热混合，然后将质量份粘结剂和催化剂依次加入并进行第二次加热混合，形成混合料；将混合料加入至成球机中制成球形颗粒；将所得球形颗粒在烘干机中烘干成型；取烘干成型的球形颗粒进行焙烧，之后冷却，制得铁碳填料。其中粘结剂的粘合性能好，使用时稳定、不易水解，石墨烯的加入能够提高微电解填料的强度，降低了填料在使用过程中的磨损，催化剂的加入能够提高填料的反应活性，去除电极间随反应时间延长而产生的极化现象，从而增强了废水的处理效率，填料表面无板结、钝化现象发生，性能更加稳定。

Description

一种高温微电解铁碳填料及其制备方法

技术领域

本发明涉及工业废水污染物降解材料制造技术领域，尤其涉及一种高温微电解铁碳填料及其制备方法。

背景技术

铁碳填料是以铁和碳组成的铁碳原电池，在不通电的情况下，金属铁形成正极，碳形成负极，组成原电池，非常多的正极和负极按一定的比例形成电网而对污水过滤，对工业废水进行电解处理，而达到降解有机污染物的目的。进一步，铁和碳在酸碱(和重金属)的作用下又可以缓慢消去，达到污水处理的目的。但是现有的铁碳填料在使用过程中烧结温度过高导致铁粉氧化，并使填料的活性降低，另外，现有的粘结剂还存在强度不够，容易在水中分解，影响填料的使用效果等缺点。因此，研发一种性能稳定、活性好、污水处理效果好的铁碳填料成为了一项迫切而重要的工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温微电解铁碳填料及其制备方法，旨在解决现有技术中的铁碳填料性能不稳定、活性较差、污水处理效果有待提高的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的一种高温微电解铁碳填料，其原料以质量份计包括：

50～70份铁粉、40～50份碳粉、10～20份石墨烯、4～8份粘结剂、4～6份催化剂、30～40份水。

本发明还提供一种高温微电解铁碳填料的制备方法，包括如下步骤：

配制所述粘结剂；

取质量份水、铁粉、碳粉和石墨烯进行第一次加热混合，然后将质量份粘结剂和催化剂依次加入并进行第二次加热混合，形成混合料；

将混合料加入至成球机中制成球形颗粒；

将所得球形颗粒在烘干机中烘干成型；

取烘干成型的球形颗粒进行焙烧，之后冷却，制得铁碳填料。

其中，在配制所述粘结剂的步骤中：

质量份粘结剂由1～2份硅酸钠、1～2份氯化钙和2～4份羟丙基纤维素组成；

取质量份硅酸钠、氯化钙和羟丙基纤维素搅拌混合，搅拌转速为100～120r/min，搅拌时间为6～10min。

其中，在取质量份水、铁粉、碳粉和石墨烯进行第一次加热混合，然后将质量份粘结剂和催化剂依次加入并进行第二次加热混合，形成混合料的步骤中：

第一次加热混合过程中，加热时间为40～60℃，搅拌转速为90～110r/min，搅拌时间为10～20min；

第二次加热混合过程中，加热时间为50～70℃，搅拌转速为130～150r/min，搅拌时间为15～25min。

其中，所述催化剂为硅灰、石粉，废弃矿渣粉中的一种或多种。

其中，在将混合料加入至成球机中制成球形颗粒的步骤中：

需在混合料加入至成球机前需将混合料进行静置脱泡3～5min。

其中，在将所得球形颗粒在烘干机中烘干成型的步骤中；

将成球颗粒放入至烘干机中进行三次烘烤，第一次烘烤温度为80～100℃，烘烤时间为3～5min，待第一次烘烤完成后对球形颗粒进行浸润处理；

将浸润处理后的球形颗粒放入至烘干机中进行第二次烘烤，第二次烘烤温度为110～120℃，烘烤时间为4～6min；

待第二次烘烤完成后，对球形颗粒进行第三次烘烤，第三次烘烤温度为130～140℃，烘烤时间为5～7min。

其中，在取烘干成型的球形颗粒进行焙烧，之后冷却，制得铁碳填料的步骤中：

待第三次烘烤完成后，将球形颗粒在马弗炉中焙烧，焙烧时，在温度升至300℃之前，采用每升高50℃，保持1～5min的加热方式；在温度升至300℃之后，采用每升高30℃，保持1～5min直到升温至500℃。

其中，在取烘干成型的球形颗粒进行焙烧，之后冷却，制得铁碳填料的步骤中：

待球形颗粒在马弗炉中焙烧完成后取出，吹送冷风降低球形颗粒至90～110℃后，自然冷却制得铁碳填料。

本发明的有益效果体现在：通过取质量份水、铁粉、碳粉和石墨烯进行第一次加热混合，然后将质量份粘结剂和催化剂依次加入并进行第二次加热混合，形成混合料；将混合料加入至成球机中制成球形颗粒；将所得球形颗粒在烘干机中烘干成型；取烘干成型的球形颗粒进行焙烧，之后冷却，制得铁碳填料。其中粘结剂的粘合性能好，使用时稳定、不易水解，石墨烯的加入能够提高微电解填料的强度，降低了填料在使用过程中的磨损，催化剂的加入能够提高填料的反应活性，去除电极间随反应时间延长而产生的极化现象，从而增强了废水的处理效率，填料表面无板结、钝化现象发生，性能更加稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的实施例1的步骤流程图。

图2是本发明的实施例2的步骤流程图。

图3是本发明的实施例3的步骤流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

一种高温微电解铁碳填料，其原料以质量份计包括：50～70份铁粉、40～50份碳粉、10～20份石墨烯、4～8份粘结剂、4～6份催化剂、30～40份水之外，还包括5～15份膨松料、3～9份造孔剂、2～8份厌氧污泥，其中在配制完粘结剂后，进行膨松料的配制，其中膨松料由1～3份粘土、1～3份碳酸氢钠水溶液、1～3份云母石、1～3份蛭石、1～3份高岭土组成，将粘土、碳酸氢钠水溶液、云母石、蛭石、高岭土进行混合，并以300～500r/min的速度进行6～10min的搅打，直到呈膨松状态，以此形成膨松料；其中厌氧污泥、膨松料和造孔剂在第二次加热混合完成后按质量份依次加入，并以400～800r/min的速度进行6～10min的搅打；在将成球烘干加热成型和取烘干成型的球形颗粒进行焙烧，之后冷却，制得铁碳填料的步骤之间还具有一步骤，该步骤是在球形颗粒烘干成型后，进行900～1100℃的高温干馏，之后自然冷却。

请参阅图1，实施例1，本发明提供了一种高温微电解铁碳填料的制备方法，包括如下步骤：

S100：配制4份所述粘结剂；

S200：配制5份膨松料；

S300：将30份水、50份铁粉、40份碳粉、10份石墨烯进行加热时间为40℃，搅拌转速为90r/min，搅拌时间为10min的第一次加热混合，之后将4份粘结剂和4份硅灰依次加入，并进行加热时间为50℃，搅拌转速为130r/min，搅拌时间为15min的第二次加热混合，之后再依次加入2份厌氧污泥、5份膨松料和3份造孔剂，并以400r/min的速度进行6min的搅打，形成混合料；

S400：将混合料静置脱泡3min，然后将混合料加入至成球机中制成球形颗粒；

S500：将所得球形颗粒在烘干机中进行三次烘烤，第一次烘烤温度为80℃，烘烤时间为3min，之后沾水进行浸润处理，将浸润处理后的球形颗粒进行第二次烘烤，第二次烘烤温度为110℃，烘烤时间为4min，待第二次烘烤完成后，对球形颗粒进行第三次烘烤，第三次烘烤温度为130℃，烘烤时间为5min；

S600：在球形颗粒进行三次烘烤，烘干成型后，进行900℃的高温干馏，之后自然冷却；

S700：取高温干馏自然冷却后的球形颗粒在马弗炉中焙烧，焙烧时，在温度升至300℃之前，采用每升高50℃，保持1min的加热方式；在温度升至300℃之后，采用每升高30℃，保持1min直到升温至500℃，待球形颗粒在马弗炉中焙烧完成后取出，吹送冷风降低球形颗粒至90℃后，自然冷却制得铁碳填料。

在本实施方式中，通过选取1份硅酸钠、1份氯化钙和2份羟丙基纤维素进行搅拌转速为100r/min，搅拌时间为6min的搅拌混合，并配制出4份粘结剂；之后将1份粘土、1份碳酸氢钠水溶液、1份云母石、1份蛭石、1份高岭土并以300r/min的转速进行6min的搅打，以此混合配出5份膨松料，之后将水、铁粉、碳粉、石墨烯进行第一次加热混合，之后将粘结剂和催化剂依次加入，并进行第二次加热混合，之后再依次加入厌氧污泥、膨松料和造孔剂，并进行搅打，形成混合料；其中通过两次加热混合能够使得原料混合更加充分均匀，确保制备出的微电解铁碳填料的质量，使得铁碳填料在废水中电解能够发挥最大的净化作用，其中通过石墨烯的加入能够较大的提高微电解填料的强度，降低了填料在使用过程中的磨损，其中厌氧污泥在焙烧后，厌氧污泥内的微生物被碳化，形成孔状结构，增加了填料内部的成孔率和空隙度，提供了均匀的水气流动通道，促进内外水流的交换，对废水的处理提供了更大的电流密度和更好的催化反应效果，同时实现了废弃物的资源化利用；通过造孔剂的加入能够使得填料孔隙率增大，与废水的接触面积大，处理效果好，其次催化剂的加入，能够提高填料的反应活性，去除电极间随反应时间延长而产生的极化现象，从而增强了废水的处理效率，填料表面无板结、钝化现象发生；其中粘结剂的粘合性能好，能够使得制备出的填料凝聚度较高，使用时稳定、不易水解；在膨松料中，通过粘土、碳酸氢钠水溶液、云母石、蛭石、高岭土进行充分混合搅打，膨松料中可以吸入更多空气且分散均匀，得到的铁碳填料性能稳定，烧结温度低，具有高活性、处理效果好，无板结、钝化现象。在形成混合料后将其混合料静置脱泡，然后将混合料加入至成球机中制成球形颗粒，将所得球形颗粒在烘干机中进行三次烘烤，即烘干成型，其中在第一次烘烤完成后需要对其进行浸润处理，能够最大程度上保证烘烤过程中球形颗粒的空隙率，通过对球形颗粒进行三次烘烤能够有效提升后续制备出的铁碳填料的结构强度，之后对烘干成型的球形颗粒进行高温干馏，之后自然冷却；以此进一步提升后续制备出的铁碳填料的质量，在高温干馏后在马弗炉中进行无氧焙烧，并且向马弗炉中充入氮气，在焙烧完成后首先经过风冷后，再进行自然冷却，能够有效提升后续制备出的铁碳填料的质量。

请参阅图2，实施例2，本发明提供了一种高温微电解铁碳填料的制备方法，包括如下步骤：

S100：配制8份所述粘结剂；

S200：配制15份膨松料；

S300：将40份水、70份铁粉、50份碳粉、20份石墨烯进行加热时间为60℃，搅拌转速为110r/min，搅拌时间为20min的第一次加热混合，之后将8份粘结剂和6份石灰依次加入，并进行加热时间为70℃，搅拌转速为150r/min，搅拌时间为25min的第二次加热混合，之后再依次加入8份厌氧污泥、15份膨松料和9份造孔剂，并以800r/min的速度进行10min的搅打，形成混合料；

S400：将混合料静置脱泡5min，然后将混合料加入至成球机中制成球形颗粒；

S500：将所得球形颗粒在烘干机中进行三次烘烤，第一次烘烤温度为100℃，烘烤时间为5min，之后沾水进行浸润处理，将浸润处理后的球形颗粒进行第二次烘烤，第二次烘烤温度为120℃，烘烤时间为6min，待第二次烘烤完成后，对球形颗粒进行第三次烘烤，第三次烘烤温度为140℃，烘烤时间为7min；

S600：在球形颗粒进行三次烘烤，烘干成型后，进行1100℃的高温干馏，之后自然冷却；

S700：取高温干馏自然冷却后的球形颗粒在马弗炉中焙烧，焙烧时，在温度升至300℃之前，采用每升高50℃，保持5min的加热方式；在温度升至300℃之后，采用每升高30℃，保持5min直到升温至500℃，待球形颗粒在马弗炉中焙烧完成后取出，吹送冷风降低球形颗粒至110℃后，自然冷却制得铁碳填料。

在本实施方式中，在本实施方式中，通过选取2份硅酸钠、2份氯化钙和4份羟丙基纤维素进行搅拌转速为120r/min，搅拌时间为10min的搅拌混合，并配制出8份粘结剂；之后将3份粘土、3份碳酸氢钠水溶液、3份云母石、3份蛭石、3份高岭土并以500r/min的转速进行10min的搅打，以此混合配出15份膨松料，之后将水、铁粉、碳粉、石墨烯进行第一次加热混合，之后将粘结剂和催化剂依次加入，并进行第二次加热混合，之后再依次加入厌氧污泥、膨松料和造孔剂，并进行搅打，形成混合料；其中通过两次加热混合能够使得原料混合更加充分均匀，确保制备出的微电解铁碳填料的质量，使得铁碳填料在废水中电解能够发挥最大的净化作用，其中通过石墨烯的加入能够较大的提高微电解填料的强度，降低了填料在使用过程中的磨损，其中厌氧污泥在焙烧后，厌氧污泥内的微生物被碳化，形成孔状结构，增加了填料内部的成孔率和空隙度，提供了均匀的水气流动通道，促进内外水流的交换，对废水的处理提供了更大的电流密度和更好的催化反应效果，同时实现了废弃物的资源化利用；通过造孔剂的加入能够使得填料孔隙率增大，与废水的接触面积大，处理效果好，其次催化剂的加入，能够提高填料的反应活性，去除电极间随反应时间延长而产生的极化现象，从而增强了废水的处理效率，填料表面无板结、钝化现象发生；其中粘结剂的粘合性能好，能够使得制备出的填料凝聚度较高，使用时稳定、不易水解；在膨松料中，通过粘土、碳酸氢钠水溶液、云母石、蛭石、高岭土进行充分混合搅打，膨松料中可以吸入更多空气且分散均匀，得到的铁碳填料性能稳定，烧结温度低，具有高活性、处理效果好，无板结、钝化现象。在形成混合料后将其混合料静置脱泡，然后将混合料加入至成球机中制成球形颗粒，将所得球形颗粒在烘干机中进行三次烘烤，即烘干成型，其中在第一次烘烤完成后需要对其进行浸润处理，能够最大程度上保证烘烤过程中球形颗粒的空隙率，通过对球形颗粒进行三次烘烤能够有效提升后续制备出的铁碳填料的结构强度，之后对烘干成型的球形颗粒进行高温干馏，之后自然冷却；以此进一步提升后续制备出的铁碳填料的质量，在高温干馏后在马弗炉中进行无氧焙烧，并且向马弗炉中充入氮气，在焙烧完成后首先经过风冷后，再进行自然冷却，能够有效提升后续制备出的铁碳填料的质量。

请参阅图3，实施例3，本发明提供了一种高温微电解铁碳填料的制备方法，包括如下步骤：

S100：配制6份所述粘结剂；

S200：配制10份膨松料；

S300：将35份水、60份铁粉、45份碳粉、15份石墨烯进行加热时间为50℃，搅拌转速为100r/min，搅拌时间为15min的第一次加热混合，之后将6份粘结剂和5份硅灰依次加入，并进行加热时间为60℃，搅拌转速为140r/min，搅拌时间为20min的第二次加热混合，之后再依次加入5份厌氧污泥、10份膨松料和6份造孔剂，并以600r/min的速度进行8min的搅打，形成混合料；

S400：将混合料静置脱泡4min，然后将混合料加入至成球机中制成球形颗粒；

S500：将所得球形颗粒在烘干机中进行三次烘烤，第一次烘烤温度为90℃，烘烤时间为4min，之后沾水进行浸润处理，将浸润处理后的球形颗粒进行第二次烘烤，第二次烘烤温度为115℃，烘烤时间为5min，待第二次烘烤完成后，对球形颗粒进行第三次烘烤，第三次烘烤温度为135℃，烘烤时间为6min；

S600：在球形颗粒进行三次烘烤，烘干成型后，进行1000℃的高温干馏，之后自然冷却；

S700：取高温干馏自然冷却后的球形颗粒在马弗炉中焙烧，焙烧时，在温度升至300℃之前，采用每升高50℃，保持3min的加热方式；在温度升至300℃之后，采用每升高30℃，保持3min直到升温至500℃，待球形颗粒在马弗炉中焙烧完成后取出，吹送冷风降低球形颗粒至100℃后，自然冷却制得铁碳填料。

在本实施方式中，通过选取1.5份硅酸钠、1.5份氯化钙和3份羟丙基纤维素进行搅拌转速为110r/min，搅拌时间为8min的搅拌混合，并配制出6份粘结剂；之后将2份粘土、2份碳酸氢钠水溶液、2份云母石、2份蛭石、2份高岭土并以400r/min的转速进行8min的搅打，以此混合配出10份膨松料，之后将水、铁粉、碳粉、石墨烯进行第一次加热混合，之后将粘结剂和催化剂依次加入，并进行第二次加热混合，之后再依次加入厌氧污泥、膨松料和造孔剂，并进行搅打，形成混合料；其中通过两次加热混合能够使得原料混合更加充分均匀，确保制备出的微电解铁碳填料的质量，使得铁碳填料在废水中电解能够发挥最大的净化作用，其中通过石墨烯的加入能够较大的提高微电解填料的强度，降低了填料在使用过程中的磨损，其中厌氧污泥在焙烧后，厌氧污泥内的微生物被碳化，形成孔状结构，增加了填料内部的成孔率和空隙度，提供了均匀的水气流动通道，促进内外水流的交换，对废水的处理提供了更大的电流密度和更好的催化反应效果，同时实现了废弃物的资源化利用；通过造孔剂的加入能够使得填料孔隙率增大，与废水的接触面积大，处理效果好，其次催化剂的加入，能够提高填料的反应活性，去除电极间随反应时间延长而产生的极化现象，从而增强了废水的处理效率，填料表面无板结、钝化现象发生；其中粘结剂的粘合性能好，能够使得制备出的填料凝聚度较高，使用时稳定、不易水解；在膨松料中，通过粘土、碳酸氢钠水溶液、云母石、蛭石、高岭土进行充分混合搅打，膨松料中可以吸入更多空气且分散均匀，得到的铁碳填料性能稳定，烧结温度低，具有高活性、处理效果好，无板结、钝化现象。在形成混合料后将其混合料静置脱泡，然后将混合料加入至成球机中制成球形颗粒，将所得球形颗粒在烘干机中进行三次烘烤，即烘干成型，其中在第一次烘烤完成后需要对其进行浸润处理，能够最大程度上保证烘烤过程中球形颗粒的空隙率，通过对球形颗粒进行三次烘烤能够有效提升后续制备出的铁碳填料的结构强度，之后对烘干成型的球形颗粒进行高温干馏，之后自然冷却；以此进一步提升后续制备出的铁碳填料的质量，在高温干馏后在马弗炉中进行无氧焙烧，并且向马弗炉中充入氮气，在焙烧完成后首先经过风冷后，再进行自然冷却，能够有效提升后续制备出的铁碳填料的质量。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种高温微电解铁碳填料，其特征在于，其原料以质量份计包括：

50～70份铁粉、40～50份碳粉、10～20份石墨烯、4～8份粘结剂、4～6份催化剂、30～40份水。

2.采用如权利要求1所述的高温微电解铁碳填料，其特征在于，所述高温微电解铁碳填料的制备方法，包括如下步骤：

配制所述粘结剂；

取质量份水、铁粉、碳粉和石墨烯进行第一次加热混合，然后将质量份粘结剂和催化剂依次加入并进行第二次加热混合，形成混合料；

将混合料加入至成球机中制成球形颗粒；

将所得球形颗粒在烘干机中烘干成型；

取烘干成型的球形颗粒进行焙烧，之后冷却，制得铁碳填料。

3.如权利要求2所述的高温微电解铁碳填料的制备方法，其特征在于，在配制所述粘结剂的步骤中：

质量份粘结剂由1～2份硅酸钠、1～2份氯化钙和2～4份羟丙基纤维素组成；

取质量份硅酸钠、氯化钙和羟丙基纤维素搅拌混合，搅拌转速为100～120r/min，搅拌时间为6～10min。

4.如权利要求2所述的高温微电解铁碳填料的制备方法，其特征在于，在取质量份水、铁粉、碳粉和石墨烯进行第一次加热混合，然后将质量份粘结剂和催化剂依次加入并进行第二次加热混合，形成混合料的步骤中：

第一次加热混合过程中，加热时间为40～60℃，搅拌转速为90～110r/min，搅拌时间为10～20min；

第二次加热混合过程中，加热时间为50～70℃，搅拌转速为130～150r/min，搅拌时间为15～25min。

5.如权利要求4所述的高温微电解铁碳填料的制备方法，其特征在于，

所述催化剂为硅灰、石粉，废弃矿渣粉中的一种或多种。

6.如权利要求2所述的高温微电解铁碳填料的制备方法，其特征在于，在将混合料加入至成球机中制成球形颗粒的步骤中：

需在混合料加入至成球机前需将混合料进行静置脱泡3～5min。

7.如权利要求2所述的高温微电解铁碳填料的制备方法，其特征在于，在将所得球形颗粒在烘干机中烘干成型的步骤中；

将成球颗粒放入至烘干机中进行三次烘烤，第一次烘烤温度为80～100℃，烘烤时间为3～5min，待第一次烘烤完成后对球形颗粒进行浸润处理；

将浸润处理后的球形颗粒放入至烘干机中进行第二次烘烤，第二次烘烤温度为110～120℃，烘烤时间为4～6min；

待第二次烘烤完成后，对球形颗粒进行第三次烘烤，第三次烘烤温度为130～140℃，烘烤时间为5～7min。

8.如权利要求7所述的高温微电解铁碳填料的制备方法，其特征在于，在取烘干成型的球形颗粒进行焙烧，之后冷却，制得铁碳填料的步骤中：

待第三次烘烤完成后，将球形颗粒在马弗炉中焙烧，焙烧时，在温度升至300℃之前，采用每升高50℃，保持1～5min的加热方式；在温度升至300℃之后，采用每升高30℃，保持1～5min直到升温至500℃。

9.如权利要求8所述的高温微电解铁碳填料的制备方法，其特征在于，在取烘干成型的球形颗粒进行焙烧，之后冷却，制得铁碳填料的步骤中：

待球形颗粒在马弗炉中焙烧完成后取出，吹送冷风降低球形颗粒至90～110℃后，自然冷却制得铁碳填料。

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