CN112500073A - 水泥基电絮凝阴极材料及其制备和应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水泥基电絮凝阴极材料及其制备和应用方法，本发明的方法是将经过分散处理的0.25‑1.5质量份的碳纤维和7.5‑27.5质量份的导电填料掺入100质量份的水泥中，并采用发泡剂和0.5‑3质量份的微晶纤维素进行造孔，成型后形成多孔导电材料，作为电絮凝反应体系中的阴极材料。使用时，可将预先埋入阴极材料的碳纤维丝束作为导线连接电源负极，电源正极接上铝板，并以此来构建电絮凝反应体系。本发明所制备的水泥基电絮凝阴极材料具有成本低、制备工艺简单、导电性好、耐碱性能好和可重复使用等优点。

Description

水泥基电絮凝阴极材料及其制备和应用方法

技术领域

本发明涉及新型环保功能材料技术领域，具体涉及一种水泥基电絮凝阴极材料及其制备和应用方法。

背景技术

随着我国对水环境保护力度的日益加大以及矿冶、机械制造、化工、电子、仪表等工业废水排放标准的提高，传统的废水深度处理工艺已经很难满足重金属离子去除的要求。电絮凝法是使用可溶性阳极,通过电化学反应,既产生气浮分离所需的气泡,也产生使悬浮物凝聚的絮凝剂,并且电解过程中会产生少量氧化剂,能同时去除水中有机物、细菌、重金属。用电絮凝法处理废水一般不需要添加化学药剂,设备体积小,占地面积少,操作简单灵活,污泥量少,后续处理简单。近年来在国内外逐步应用于处理电镀、化工、印染、制药、制革、造纸等多种工业废水以及水净化的研究。

中国专利，公开日2009年9月30日发明名称为“用铝电极-电絮凝法处理含锑工业废水的方法”，该方法是采用铝材料作电极，在电解池中以直流电电解预先调节pH值的含锑工业废水，通过电极产生的絮体凝聚废水中的锑离子；之后静置，经检测合格后排放。该方法，可解决含锑工业废水中锑离子严重超标的问题，可以将含锑工业废水中的锑去除90％以上，处理水中锑离子浓度＜3mg/L。但是该方法需要预先调配好pH值，且重金属离子去除效率也不够理想。中国专利CN102092821A，公开日2011年6月15日，发明专利名称为“高性能活性碳纤维在电絮凝法处理工业废水中的应用方法”，该方法采用电絮凝法对工业废水进行处理，采用高性能活性碳纤维作为电解的电极，且该高性能活性碳纤维具有活性碳的构成，该发明的电解效率高，适用范围广，使用成本低，不会产生二次污染且有利于采用反渗透法进行水回用处理。但该方法需预先调制废水的pH至3-4，且因电极导电性不佳，对电源要求较高。中国专利CN109607708A，公开日2019年4月12日，发明专利名称为“一种含重金属废水的电絮凝处理方法及电絮凝装置”，该方法采用介孔材料与电絮凝技术结合，能有效地提高重金属废水处理的电解效率，且结构简单，拆卸与清洗方便，重金属废水处理效果优良，且在电絮凝装置中当微电解填料有所消耗时只需要简单补充新填料即可恢复使用，无需更换电极板。但该方法中的介孔材料制备工序复杂，不易大规模推广。上述专利中的阴极材料的制备或是工作效率都不能十分令人满意。

水泥基导电复合材料已应用于电工、电磁干扰屏蔽、工业防静电、电加热器、电力设备接地工程,以及重大土木基础设施的内部应力和健康状况自诊断和监测等领域。在现有技术中，鲜有将导电水泥基复合材料与电絮凝技术和含有重金属离子废水处理结合起来的报道，更鲜有报道使用水泥作为基材制备的一种水泥基电絮凝阴极材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题提供一种低成本高性能的水泥基电絮凝阴极材料及其制备和应用方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

水泥基电絮凝阴极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将0.6-1质量份的分散剂与去离子水混合溶解得到分散液；分散剂与去离子水的比例为1:150-180，将0.25-1.5质量份的碳纤维置于解离器中解离后过滤取出并干燥，再置入上述分散液中分散均匀，得到分散液和碳纤维的混合物；

步骤2、将100质量份的水泥、7.5-27.5质量份的导电填料和0.5-3质量份的微晶纤维素投入搅拌机中干拌混合均匀；将步骤1得到的混合物滤除60-70％的分散液后投入搅拌机，低速搅拌30-60s后，加入0.5-1质量份的减水剂，再高速搅拌3-5min，得到拌合物；

步骤3、将0.5-1.5质量份的发泡剂与去离子水混合，发泡剂与去离子水的比例为1:25-35，并利用发泡机打发产生泡沫，将泡沫按照100-200ml/kg的用量加入上述拌合物中，搅拌均匀；

步骤4、将上一步得到的拌合物浇注于合适模具中成型，且预置碳纤维丝束于模具中作为导线，养护24h后脱模，得到水泥基电絮凝阴极材料。

进一步的，所述的导电填料为石墨、炭黑、活性炭、碳纳米管中的一种或多种的混合物，其中石墨的粒径范围为10-25μm。

进一步的，所述的水泥包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的任意一种或多种的混合物。

进一步的，所述的碳纤维为含碳量高于95％，长度为3-15mm的短切碳纤维。

进一步的，所述的分散剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素和聚环氧乙烷中的任意一种。

进一步的，所述的发泡剂为植物性水泥发泡剂。

水泥基电絮凝阴极材料，由上述方法制备得到。

上述水泥基电絮凝阴极材料的应用方法，将水泥基电絮凝阴极材料连接直流电源负极后置于电絮凝反应体系中，且水泥基电絮凝阴极材料与废水的接触面积大于阴极材料总表面积的1/2，外露的碳纤维丝束不接触到废水。电源正极连接铝板或铁板作为阳极金属电极，借助外加脉冲高电压作用产生电化学反应，把电能转化为化学能，以牺牲阳极金属电极产生金属阳离子絮凝剂，通过凝聚、浮除、还原和氧化分解反应将金属离子从水体中分离，达到净化水体的目的。

本发明的有益效果为：本发明将经过分散处理的碳纤维和导电填料掺入水泥中，并采用发泡剂和微晶纤维素进行造孔，成型后形成多孔导电材料，作为电絮凝反应体系中的阴极材料。使用时，可将预先埋入阴极材料的碳纤维丝束作为导线连接电源负极，电源正极接上铝板，并以此来构建电絮凝反应体系。本发明所制备的多孔导电混凝土具有成本低、制备工艺简单、导电性好、耐碱性能好和可重复使用等优点。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

一种水泥基电絮凝阴极材料及其制备方法，其特征在于：所述的制备方法按以下步骤进行：

a.按比例称取水泥、碳纤维、导电填料、微晶纤维素、分散剂、减水剂，其中碳纤维、导电填料、微晶纤维素、分散剂、发泡剂、减水剂占水泥的质量比分别为：0.5％、7.5％、1％、0.6％、0.5％、0.5％；

b.将分散剂与去离子水以1∶150的比例溶于去离子水中得到分散液；将预先称量好的碳纤维置于解离器中以3500r/min的转速解离10min后过滤取出并干燥，再置入上述分散液中分散均匀，得到分散液和碳纤维的混合物；

c.将发泡剂与去离子水以1∶25的比例混合，并利用发泡剂打发产生泡沫，备用；

d.将水泥、导电填料、微晶纤维素依次投入搅拌机中干拌混合均匀；将步骤b得到的混合物滤除60％的水分后投入，低速搅拌30s后，加入减水剂，再高速搅拌5min，得到拌合物；

e.将步骤c产生的泡沫按照180ml/kg的用量加入上述拌合物中，搅拌均匀；

f.将e步骤的拌合物浇注于合适模具中成型，且预置碳纤维丝束于模具中作为导线，养护24h后脱模，即得到水泥基电絮凝阴极材料。

所得到的水泥基电絮凝阴极材料电阻率为1.9481Ω·m。

实施例2

一种水泥基电絮凝阴极材料及其制备方法，其特征在于：所述的制备方法按以下步骤进行：

a.按比例称取水泥、碳纤维、导电填料、微晶纤维素、分散剂、减水剂，其中碳纤维、导电填料、微晶纤维素、分散剂、发泡剂、减水剂占水泥的质量比分别为：0.75％、12.5％、1.5％、0.6％、0.5％、0.5％；

b.将分散剂与去离子水以1∶150的比例溶于去离子水中得到分散液；将预先称量好的碳纤维置于解离器中以3500r/min的转速解离10min后过滤取出并干燥，再置入上述分散液中分散均匀，得到分散液和碳纤维的混合物；

c.将发泡剂与去离子水以1∶25的比例混合，并利用发泡剂打发产生泡沫，备用；

d.将水泥、导电填料、微晶纤维素依次投入搅拌机中干拌混合均匀；将步骤b得到的混合物滤除60％的水分后投入，低速搅拌30s后，加入减水剂，再高速搅拌5min，得到拌合物；

e.将步骤c产生的泡沫按照100ml/kg的用量加入上述拌合物中，搅拌均匀；

f.将e步骤的拌合物浇注于合适模具中成型，且预置碳纤维丝束于模具中作为导线，养护24h后脱模，即得到水泥基电絮凝阴极材料。所得到的水泥基电絮凝阴极材料电阻率为1.3661Ω·m。

实施例3

一种水泥基电絮凝阴极材料及其制备方法，其特征在于：所述的制备方法按以下步骤进行：

a.按比例称取水泥、碳纤维、导电填料、微晶纤维素、分散剂、减水剂，其中碳纤维、导电填料、微晶纤维素、分散剂、发泡剂、减水剂占水泥的质量比分别为：1.0％、17.5％、1.5％、0.8％、1％、1％；

b.将分散剂与去离子水以1∶175的比例溶于去离子水中得到分散液；将预先称量好的碳纤维置于解离器中以3800r/min的转速解离15min后过滤取出并干燥，再置入上述分散液中分散均匀，得到分散液和碳纤维的混合物；

c.将发泡剂与去离子水以1∶30的比例混合，并利用发泡剂打发产生泡沫，备用；

d.将水泥、导电填料、微晶纤维素依次投入搅拌机中干拌混合均匀；将步骤b得到的混合物滤除65％的水分后投入，低速搅拌30s后，加入减水剂，再高速搅拌5min，得到拌合物；

e.将步骤c产生的泡沫按照200ml/kg的用量加入上述拌合物中，搅拌均匀；

f.将e步骤的拌合物浇注于合适模具中成型，且预置碳纤维丝束于模具中作为导线，养护24h后脱模，即得到水泥基电絮凝阴极材料。所得到的水泥基电絮凝阴极材料电阻率为0.9437Ω·m。

实施例4

一种水泥基电絮凝阴极材料及其制备方法，其特征在于：所述的制备方法按以下步骤进行：

a.按比例称取水泥、碳纤维、导电填料、微晶纤维素、分散剂、减水剂，其中碳纤维、导电填料、微晶纤维素、分散剂、发泡剂、减水剂占水泥的质量比分别为：1.25％、22.5％、2％、0.8％、1％、1％；

b.将分散剂与去离子水以1∶175的比例溶于去离子水中得到分散液；将预先称量好的碳纤维置于解离器中以3800r/min的转速解离15min后过滤取出并干燥，再置入上述分散液中分散均匀，得到分散液和碳纤维的混合物；

c.将发泡剂与去离子水以1∶30的比例混合，并利用发泡剂打发产生泡沫，备用；

d.将水泥、导电填料、微晶纤维素依次投入搅拌机中干拌混合均匀；将步骤b得到的混合物滤除65％的水分后投入，低速搅拌30s后，加入减水剂，再高速搅拌5min，得到拌合物；

e.将步骤c产生的泡沫按照130ml/kg的用量加入上述拌合物中，搅拌均匀；

f.将e步骤的拌合物浇注于合适模具中成型，且预置碳纤维丝束于模具中作为导线，养护24h后脱模，即得到水泥基电絮凝阴极材料。所得到的水泥基电絮凝阴极材料电阻率为0.5316Ω·m。

实施例5

一种水泥基电絮凝阴极材料的应用

将实施例1-4得到的水泥基电絮凝阴极材料分别连接直流电源负极，铝板连接着直流电源正极，置于电絮凝反应体系中，水泥基电絮凝阴极材料浸入含有重金属离子的废水中。电絮凝反应体系中含重金属离子的废水为浓度为5g/L五水硫酸铜溶液。实施例1-4制备得到的水泥基电絮凝阴极材料对废水中铜离子的去除率见表1。

实施例6

一种水泥基电絮凝阴极材料及其制备方法，其特征在于：所述的制备方法按以下步骤进行：

a.按比例称取水泥、碳纤维、导电填料、微晶纤维素、分散剂、减水剂，其中碳纤维、导电填料、微晶纤维素、分散剂、发泡剂、减水剂占水泥的质量比分别为：1.5％、27.5％、2.5％、1％、1.5％、1％；

b.将分散剂与去离子水以1∶180的比例溶于去离子水中得到分散液；将预先称量好的碳纤维置于解离器中以4000r/min的转速解离15min后过滤取出并干燥，再置入上述分散液中分散均匀，得到分散液和碳纤维的混合物；

c.将发泡剂与去离子水以1∶35的比例混合，并利用发泡剂打发产生泡沫，备用；

d.将水泥、导电填料、微晶纤维素依次投入搅拌机中干拌混合均匀；将步骤b得到的混合物滤除60％的水分后投入，低速搅拌30s后，加入减水剂，再高速搅拌5min，得到拌合物；

e.将步骤c产生的泡沫按照160ml/kg的用量加入上述拌合物中，搅拌均匀；

f.将e步骤的拌合物浇注于合适模具中成型，且预置碳纤维丝束于模具中作为导线，养护24h后脱模，即得到水泥基电絮凝阴极材料。

所得到的水泥基电絮凝阴极材料电阻率为2.8860Ω·m。

对比例1

一种水泥基电絮凝阴极材料及其制备方法，其特征在于：所述的制备方法按以下步骤进行：

a.按比例称取水泥、碳纤维、导电填料、微晶纤维素、分散剂、减水剂，其中碳纤维、导电填料、微晶纤维素、分散剂、发泡剂、减水剂占水泥的质量比分别为：0.25％、7.5％、0.5％、0.6％、0.5％、0.5％；

b.将分散剂与去离子水以1∶150的比例溶于去离子水中得到分散液；将预先称量好的碳纤维置于解离器中以3500r/min的转速解离10min后过滤取出并干燥，再置入上述分散液中分散均匀，得到分散液和碳纤维的混合物；

c.将发泡剂与去离子水以1∶25的比例混合，并利用发泡剂打发产生泡沫，备用；

d.将水泥、导电填料、微晶纤维素依次投入搅拌机中干拌混合均匀；将步骤b得到的混合物滤除70％的水分后投入，低速搅拌30s后，加入减水剂，再高速搅拌5min，得到拌合物；

e.将步骤c产生的泡沫按照180ml/kg的用量加入上述拌合物中，搅拌均匀；

f.将e步骤的拌合物浇注于合适模具中成型，且预置碳纤维丝束于模具中作为导线，养护24h后脱模，即得到水泥基电絮凝阴极材料。

所得到的水泥基电絮凝阴极材料电阻率为11.3636Ω·m。

对比例2

一种水泥基电絮凝阴极材料及其制备方法，其特征在于：所述的制备方法按以下步骤进行：

a.按比例称取水泥、碳纤维、导电填料、微晶纤维素、分散剂、减水剂，其中碳纤维、导电填料、微晶纤维素、分散剂、发泡剂、减水剂占水泥的质量比分别为：0.25％、27.5％、3％、1％、1.5％、1％；

b.将分散剂与去离子水以1∶180的比例溶于去离子水中得到分散液；将预先称量好的碳纤维置于解离器中以4000r/min的转速解离15min后过滤取出并干燥，再置入上述分散液中分散均匀，得到分散液和碳纤维的混合物；

c.将发泡剂与去离子水以1∶35的比例混合，并利用发泡剂打发产生泡沫，备用；

d.将水泥、导电填料、微晶纤维素依次投入搅拌机中干拌混合均匀；将步骤b得到的混合物滤除60％的水分后投入，低速搅拌30s后，加入减水剂，再高速搅拌5min，得到拌合物；

e.将步骤c产生的泡沫按照180ml/kg的用量加入上述拌合物中，搅拌均匀；

f.将e步骤的拌合物浇注于合适模具中成型，且预置碳纤维丝束于模具中作为导线，养护24h后脱模，即得到水泥基电絮凝阴极材料。

所得到的水泥基电絮凝阴极材料电阻率为3.4783Ω·m。

对比例3

一种水泥基电絮凝阴极材料的应用

将对比例1-2得到的水泥基电絮凝阴极材料分别连接直流电源负极，铝板连接着直流电源正极，置于电絮凝反应体系中，水泥基电絮凝阴极材料浸入含有重金属离子的废水中。电絮凝反应体系中含重金属离子的废水为浓度为5g/L五水硫酸铜溶液。

整理实施例5和对比例3的应用结果，测试实施例1-4以及对比例1-2所得到的水泥基电絮凝阴极材料的去除效果，测试电絮凝600分钟的去除情况，具体表征为铜离子去除率(％)，测试结果如下表：

表1电絮凝阴极材料铜离子去除率

从测试结果可以看出，本发明制备出的水泥基电絮凝阴极材料对重金属离子的去除率相对于常规对比例来说提升明显，且采用实施例4的方案时可以得到最高的铜离子去除率和最低的电阻率。

以上实施例仅针对水体中Cu2+的去除效果，但本发明不限于只对Cu2+的电絮凝去除，还可用于水体中其他金属离子及重金属离子的去除，如Ni2+、Cr3+、Cr6+、Zn2+、Mn2+、Pb2+等。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.水泥基电絮凝阴极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将0.6-1质量份的分散剂与去离子水混合溶解得到分散液；分散剂与去离子水的比例为1:150-180，将0.25-1.5质量份的碳纤维置于解离器中解离后过滤取出并干燥，再置入上述分散液中分散均匀，得到分散液和碳纤维的混合物；

步骤2、将100质量份的水泥、7.5-27.5质量份的导电填料和0.5-3质量份的微晶纤维素投入搅拌机中干拌混合均匀；将步骤1得到的混合物滤除60-70％的分散液后投入搅拌机，低速搅拌30-60s后，加入0.5-1质量份的减水剂，再高速搅拌3-5min，得到拌合物；

步骤3、将0.5-1.5质量份的发泡剂与去离子水混合，发泡剂与去离子水的比例为1:25-35，并利用发泡机打发产生泡沫，将泡沫按照100-200ml/kg的用量加入上述拌合物中并搅拌均匀；

步骤4、将上一步得到的拌合物浇注于模具中成型，且预置碳纤维丝束于模具中作为导线，养护24h后脱模，得到水泥基电絮凝阴极材料。

2.根据权利要求1所述的水泥基电絮凝阴极材料的制备方法，其特征在于，所述的导电填料为石墨、炭黑、活性炭、碳纳米管中的一种或多种的混合物，其中石墨的粒径范围为10-25μm。

3.根据权利要求1所述的水泥基电絮凝阴极材料的制备方法，其特征在于，所述的水泥包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的任意一种或多种的混合物。

4.根据权利要求1所述的水泥基电絮凝阴极材料的制备方法，其特征在于，所述的碳纤维为含碳量高于95％，长度为3-15mm的短切碳纤维。

5.根据权利要求1所述的水泥基电絮凝阴极材料的制备方法，其特征在于，所述的分散剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素和聚环氧乙烷中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的水泥基电絮凝阴极材料的制备方法，其特征在于，所述的发泡剂为植物性水泥发泡剂。

7.水泥基电絮凝阴极材料，其特征在于，由权利要求1-6中任一种方法制备得到。

8.根据权利要求7所述的水泥基电絮凝阴极材料的应用方法，其特征在于，将水泥基电絮凝阴极材料连接直流电源负极后置于电絮凝反应体系中，且水泥基电絮凝阴极材料与废水的接触面积大于阴极材料总表面积的1/2，外露的碳纤维丝束不接触到废水。