CN113896296A - 塑性片内嵌粒子复合电极及其制备方法 - Google Patents

塑性片内嵌粒子复合电极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种塑性片内嵌粒子复合电极及其制备方法，用于悬浮于三维电极的反应器内，塑性片内嵌粒子复合电极包括：起安装支撑作用的塑性片，塑性片由塑性材料制备形成，且为具有空间曲面的空间曲面片。塑性片的表面内嵌有分散布设且呈颗粒状的粒子，粒子用于与反应器内的废水接触后传质，且粒子与塑性片连接形成复合粒子电极。本发明的塑性片内嵌粒子复合电极中，塑性片由塑性材料制备形成，电阻高，塑性片对粒子的支撑作用，有助于防止内嵌颗粒状的粒子因受压摩擦而粉碎，粒子稳定内嵌于塑性片内；粒子之间相互分散、彼此绝缘，故而每一颗粒子均能充分发挥微电池的效能，极大减少短路电流、提高电流效率，提高传质及废水处理效果。

Description

塑性片内嵌粒子复合电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及污水处理领域，特别地，涉及一种塑性片内嵌粒子复合电极。此外，本发明还涉及一种用于制备塑性片内嵌粒子复合电极的复合粒子电极制备方法。
背景技术
难降解有机废水是当前工业废水处理的热点和难点，电催化技术不产生污泥，无二次污染，反应条件温和，运行操作简单，反应过程易控制，极具应用前景，但因催化效率低、传质效率低、运行能耗高等问题限制了应用。三维电催化技术在传统二维电催化反应器内填充粒子电极，粒子电极在通电情况下被极化而带电，形成无数的微电池参与电化学反应，污染物在其表面被降解。由于增大了电极比表面积，大大缩小了阴阳极间距，相比传统的二维电极，提高了电能效率和传质效率，进而提高污染物的降解速率并降低能耗。
粒子电极的形式及其充填方式的优劣很大程度上决定了三维电催化系统的处理效果及能耗。传统的三维电催化技术将粒子电极填充在阴阳极板之间，粒子电极与极板直接接触形成短路电流，造成了电能的浪费。
现有技术201510967304.X采用带孔隙的绝缘筐内填充粒子电极，避免了粒子电极直接接触极板从而减少短路电流，绝缘框内粒子电极自然堆积，彼此接触形成串联，在一定程度上影响粒子电极效能发挥，此外也减少了反应器有效容积。
现有技术201310182361.8采用表面开长方形孔的多孔瓷环粒子与活性炭颗粒按一定质量比例混合组成复合粒子电极。该粒子电极瓷环表面开长方形孔，孔尺寸大于活性炭粒子粒径，通过搅拌自然混合的方式来负载活性炭粒子，通过搅拌自然混合的方式存在“混合均匀性、孔内活性炭粒子数量、粒子嵌入的牢固性等均很难控制”的技术问题，无法实现活性炭粒子彼此分散，且活性炭粒子嵌固不牢易脱落，最终导致复合粒子电极分离，影响反应效果。
发明内容
本发明提供了一种塑性片内嵌粒子复合电极及其制备方法，以解决现有的粒子电极存在的易与极板接触产生短路电流、复合粒子电极易分离、不能均匀间隔填充整个反应器空间的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种塑性片内嵌粒子复合电极，用于悬浮于三维电极的反应器内，塑性片内嵌粒子复合电极包括：起安装支撑作用的塑性片，塑性片由塑性材料制备形成，且为具有空间曲面的空间曲面片；塑性片的表面内嵌有分散布设且呈颗粒状的粒子，粒子用于与反应器内的废水接触后传质，且粒子与塑性片连接形成复合粒子电极。
进一步地，粒子的部分结构内嵌于塑性片内，以与塑性片固定连接；粒子的其余部分结构外露，以与反应器内的废水接触传质。
进一步地，空间曲面片的形状不限于抛物柱面、双曲抛物面、波浪形面。
进一步地，空间曲面片展平后呈圆形、椭圆形、多边形中的一种。
进一步地，粒子的粒径为0.5～1.2mm；塑性片的厚度为0.3～2.2mm。
进一步地，塑性片的外径为10～50mm。
进一步地，塑性片在反应器内的堆积密度为150～200kg/m3；复合粒子电极的比重为0.91～0.99g/cm3。
进一步地，塑性材料为共聚塑料材料，不限于聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯；粒子为活性炭基粒子、高岭土粒子、金属粒子、掺杂有陶粒的复合粒子中的一种或多种。
进一步地，粒子负载有金属活性组分或催化剂。
根据本发明的另一方面，还提供了一种复合粒子电极制备方法，用于制备出如上述中任一项的塑性片内嵌粒子复合电极，包括以下步骤：将粒子浸入含金属活性组分或催化剂的涂覆液中，并浸渍后干燥；将共聚塑料材料粒子、粒子、改性助剂置于混合机中充分混合均匀以得到混合料；将混合料置于挤出机中在共聚材料塑化温度下挤出为内嵌有粒子的塑性条；将塑性条切割成型为塑性片内嵌粒子复合电极，或者，首先将塑性条切割成内嵌有粒子的薄片，然后将薄片弯折成型为塑性片内嵌粒子复合电极。
本发明具有以下有益效果：
本发明为三维电催化提供了一种新型的复合粒子电极，使用时直接将该复合粒子电极投入电催化反应器电场内，塑性片内嵌粒子复合电极悬浮于反应器内，无需固定，故而使用、操作简单；本发明的塑性片内嵌粒子复合电极中，塑性片由塑性材料制备形成，其电阻高，与阴阳极板接触后不产生短路电流，且机械强度高、耐磨性好、耐酸碱性强、稳定性好，适应绝大部分废水处理场合，适应性好，且塑性片对粒子的支撑作用，有助于防止内嵌颗粒状的粒子因受压摩擦而粉碎，粒子稳定内嵌于塑性片内，不易脱落，进而大大减少粒子的流失，便于回收；内嵌的颗粒状粒子不会与极板直接接触，粒子之间也相互分散、彼此绝缘，故而每一颗粒子均能充分发挥微电池的效能，极大减少短路电流提高电流效率的同时，还提高传质及废水处理效果；本发明的塑性片内嵌粒子复合电极中，塑性片为具有空间曲面的空间曲面片，由于其空间曲面的存在，当复合粒子电极填充在反应器内时，塑性片之间易形成空隙，不易粘连堆叠，不仅可极大减少短路电流，提高电流效率，且利于粒子表面与废水之间的充分接触传质，进而提高废水处理效率；本发明的塑性片内嵌粒子复合电极中，可通过调节塑性片的厚度、大小，粒子的数量、密度、体积等，调节复合粒子电极的比重，以达到与反应器内不同类型废水的比重接近，从而可悬浮于反应器内，提高传质及处理效率；本发明的复合粒子电极的投加量可根据需要灵活调整，所投加的复合粒子电极可悬浮填充整个反应器电场，从而使粒子在整个反应器电场内相对均匀分布，接近流化态，进而提高废水中污染物与粒子的传质效果，也减少阴阳极板间电流不穿设复合粒子电极时产生的旁路电流，进而提高电流效率，避免比重过大的现有复合粒子电极须填满整个电场导致反应器有效空间减小的缺陷；本发明的塑性片内嵌粒子复合电极的构造简单，利于大规模生产制造，对于三维电催化系统而言，是理想的粒子电极；
采用本发明的制备方法制备如上述中任一项的塑性片内嵌粒子复合电极时，操作简单、容易实施；采用塑性材料和改性助剂制备的复合粒子电极中的塑性片的结构稳定、机械强度高、耐磨性好、耐酸碱性强，适应于绝大部分的废水处理场合，且通过改性助剂使共聚塑料材料发泡，进而便于粒子均匀、分散且稳固地嵌入填充；对塑性条进行切割时，可以采用专用的切割成型设备将塑性条直接切割成设计厚度、设定空间形态的复合粒子电极，也可首先将塑性条切割成设定厚度的薄片，然后再将薄片弯折成需要空间形态的复合粒子电极，两种方式均操作简单，满足复合粒子电极对厚度及空间形态的需求，且粒子制备成型过程中添加有固结材料，粒子被切割后，不会导致其结构松散，故而只需合理控制切割出的薄片的厚度相对粒子的厚度，即可使薄片两面均有分散、外露的粒子，满足其作用需求，并粒子稳定嵌固于塑性片中，粒子不易脱落，耐冲击性强，大大减少粒子电极的流失，便于回收，且废水处理效果良好；将内嵌粒子浸入含金属活性组分或催化剂的涂覆液中，进而提高粒子的改性质量。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的塑性片内嵌粒子复合电极的正面投影示意图；
图2是图1中塑性片的空间结构示意图。
图例说明
11、塑性片；12、粒子。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
参照图1，本发明的优选实施例提供了一种塑性片内嵌粒子复合电极，用于悬浮于三维电极的反应器内，塑性片内嵌粒子复合电极包括：起安装支撑作用的塑性片11，塑性片11由塑性材料制备形成，且为具有空间曲面的空间曲面片。塑性片11的表面内嵌有分散布设且呈颗粒状的粒子12，粒子12用于与反应器内的废水接触后传质，且粒子12与塑性片11连接形成复合粒子电极。
本发明为三维电催化提供了一种新型的复合粒子电极，使用时直接将该复合粒子电极投入电催化反应器电场内，塑性片内嵌粒子复合电极悬浮于反应器内，无需固定，故而使用、操作简单；本发明的塑性片内嵌粒子复合电极中，塑性片11由塑性材料制备形成，其电阻高，与阴阳极板接触后不产生短路电流，且机械强度高、耐磨性好、耐酸碱性强、稳定性好，适应绝大部分废水处理场合，适应性好，且塑性片11对粒子12的支撑作用，有助于防止内嵌颗粒状的粒子12因受压摩擦而粉碎，粒子12稳定内嵌于塑性片11内，不易脱落，进而大大减少粒子12的流失，便于回收；内嵌的颗粒状粒子12不会与极板直接接触，粒子12之间也相互分散、彼此绝缘，故而每一颗粒子12均能充分发挥微电池的效能，极大减少短路电流提高电流效率的同时，还提高传质及废水处理效果；本发明的塑性片内嵌粒子复合电极中，塑性片11为具有空间曲面的空间曲面片，由于其空间曲面的存在，当复合粒子电极填充在反应器内时，塑性片11之间易形成空隙，不易粘连堆叠，不仅可极大减少短路电流，提高电流效率，且利于粒子12表面与废水之间的充分接触传质，进而提高废水处理效率；本发明的塑性片内嵌粒子复合电极中，可通过调节塑性片11的厚度、大小，粒子12的数量、密度、体积等，调节复合粒子电极的比重，以达到与反应器内不同类型废水的比重接近，从而可悬浮于反应器内，提高传质及处理效率；本发明的复合粒子电极的投加量可根据需要灵活调整，所投加的复合粒子电极量可悬浮填充整个反应器电场，从而使粒子12在整个反应器电场内相对均匀分布，接近流化态，进而提高废水中污染物与粒子的传质效果，也减少阴阳极板间电流不穿设复合粒子电极时产生的旁路电流，进而提高电流效率，避免比重过大的现有复合粒子电极须填满整个电场导致反应器有效空间减小的缺陷；本发明的塑性片内嵌粒子复合电极的构造简单，利于大规模生产制造，对于三维电催化系统而言，是理想的粒子电极。
可选地，如图1所示，粒子12的部分结构内嵌于塑性片11内，以与塑性片11固定连接，从而粒子12嵌固牢固不易脱落，耐冲击性强，复合粒子电极不易分离，可大大减少粒子电极的流失，便于回收，且废水处理效果良好。粒子12的其余部分结构外露，以与反应器内的废水接触传质，提高废水处理效率。
可选地，如图2所示，空间曲面片的形状不限于抛物柱面、双曲抛物面、波浪形面，空间曲面片的该些形状特征不仅使其易于制备成型，且使相邻空间曲面片之间的间隙大，空间曲面片之间不易粘连堆叠，进而极大减少短路电流，提高电流效率，并利于粒子12的表面与废水之间充分接触传质，进而提高传质效率及废水处理效率。其它实施例中，空间曲面片的形状还可以为具有至少一个空间曲面的任意形状，制备简单、容易实现。实际设计时，同一反应器电场内，填充的空间曲面形状的复合粒子电极的形状可以相同，也可以不同，但均需保证相邻复合粒子电极之间具有足够的间隙，以便粒子12充分与废水接触传质，且相邻复合粒子电极的接触叠加区域少，不大于复合粒子电极面积的10％，以尽可能减少多颗粒子12接触产生的短路电流(实际反应过程中，当小于5颗的粒子12接触形成一颗外径小于5mm的粒子球时，该粒子球仍然可以发挥微电池的作用效果，对其作用效果影响很小，且接触产生的短路电流可以忽略不计)，进而提高电流效率。
可选地，如图1所示，空间曲面片展平后呈圆形、椭圆形、多边形中的一种，且多边形可以是正多边形，也可以是无规则多边形，空间曲面片的该些形状特征，使其容易加工、制备。
可选地，粒子12的粒径为0.5～1.2mm；实际设计制备时，粒子12的粒径使其作用效果为微电池时，粒径应该尽可能大，一方面便于粒子12的制备，使其制备操作简单，结构功能复杂，以适应绝大部分废水的处理需求，另一方面粒径大有助于粒子12稳定嵌固连接在塑性片11上，粒子12受冲击性强，不易脱落，进而大大减少粒子12的流失，便于回收。
可选地，塑性片11的厚度为0.3～2.2mm。设计塑性片11的厚度时，应参考搭载的粒子12的粒径大小及制备成本，当塑性片11的厚度大于2倍粒子12的粒径时，塑性片12较厚，材料浪费严重，且不利于形成的复合粒子电极在反应器电场内悬浮，另一方面，鉴于复合粒子电极的制备工艺考虑，当塑性片11由塑性材料发泡制备成型时，粒子12在塑性材料发泡过程中分散嵌入塑性片11中，当塑性片11的厚度大于2倍粒子12的粒径时，粒子12容易包覆于塑性片11内，而不外露与废水传质，进而影响复合粒子电极的作用效果。当然，塑性片11的厚度也不能太薄，当塑性片11的厚度小于粒子12粒径的一半时，形成的复合粒子电极的结构稳定性差，易受力形变后堆叠紧密，进而影响粒子的作用效果，并产生短路电流，且粒子12嵌固也不稳定，容易从塑性片11上脱落，进而加大粒子12的流失，不便于回收。
可选地，塑性片11的外径为10～50mm，防止塑性片11外径过大，占用较大的反应器空间，进而相对减少复合粒子电极的数量，且不便于复合粒子电极在反应器电场内的悬浮堆叠，另外，塑性片11的外径还应与制备塑性片11的设备相适应。
可选地，塑性片11在反应器内的堆积密度为150～200kg/m3，防止反应器内复合粒子电极堆积量较大，进而影响粒子12与废水的传质效果，也防止反应器内复合粒子电极堆积量较少，浪费反应器空间，减缓废水处理效率。
可选地，复合粒子电极的比重为0.91～0.99g/cm3，使复合粒子电极能够悬浮在绝大部分的废水中，提高传质及处理效率，且使复合粒子电极可悬浮填充整个反应器电场，从而使粒子12在整个反应器电场内相对均匀分布，接近流化态，进而提高废水中污染物与粒子的传质效果，也减少阴阳极板间电流不穿设复合粒子电极时产生的旁路电流，进而提高电流效率，避免比重过大的现有复合粒子电极须填满整个电场导致反应器有效空间减小的缺陷。
可选地，塑性材料为共聚塑料材料，不限于聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯，材料获取简单、制作成本低。粒子12为活性炭基粒子、高岭土粒子、金属粒子、掺杂有陶粒的复合粒子中的一种或多种，且粒子12制备过程中添加有固结材料，使其结构稳定。
可选地，粒子12负载有金属活性组分或催化剂；粒子12负载有金属活性组分或催化剂进行改性，进而提高催化效能；塑性片11制备过程中，加入有改性助剂，如硬脂酸钙、碳酸钠、碳酸氢铵等一种或多种，以使塑性材料发泡，便于粒子12的嵌固。
本发明的具体实施例，如图1和图2所示，本发明的塑性片内嵌粒子复合电极，包含有多孔的塑性片11，塑性片11内嵌有颗粒状的粒子12；多孔的塑性片11的材质为聚乙烯；多孔的塑性片11展平后的形状为圆形；多孔的塑性片11为具有空间曲面结构的双曲抛物面；塑性片11的厚度为0.5～2mm；塑性片11的外径为25～30mm；复合粒子电极的比重为0.93～0.95g/cm3；塑性片11的堆积密度为170～180kg/m3；塑性片11负载PbO2、SnO2、Sb2O3等金属氧化物；内嵌的粒子12为球状活性炭粒子；粒子12的粒径为1～1.2mm；粒子12均匀、分散地嵌入塑性片11内；粒子12上也负载有PbO2、SnO2、Sb2O3等金属氧化物。
参照图1和图2，本发明的优选实施例还提供了一种复合粒子电极制备方法，用于制备出如上述中任一项的塑性片内嵌粒子复合电极，包括以下步骤：
将粒子12浸入含金属活性组分或催化剂的涂覆液中，并浸渍后干燥；
将共聚塑料材料粒子、粒子12、改性助剂置于混合机中充分混合均匀以得到混合料。
将混合料置于挤出机中在共聚材料塑化温度下挤出为内嵌有粒子12的塑性条。
将塑性条切割成型为塑性片内嵌粒子复合电极，或者，首先将塑性条切割成内嵌有粒子12的薄片，然后将薄片弯折成型为塑性片内嵌粒子复合电极。
采用本发明的制备方法制备如上述中任一项的塑性片内嵌粒子复合电极时，操作简单、容易实施；采用塑性材料和改性助剂制备的复合粒子电极中的塑性片11的结构稳定、机械强度高、耐磨性好、耐酸碱性强，适应于绝大部分的废水处理场合，且通过改性助剂使共聚塑料材料发泡，进而便于粒子12均匀、分散且稳固地嵌入填充；对塑性条进行切割时，可以采用专用的切割成型设备将塑性条直接切割成设计厚度、设定空间形态的复合粒子电极，也可首先将塑性条切割成设定厚度的薄片，然后再将薄片弯折成需要空间形态的复合粒子电极，两种方式均操作简单，满足复合粒子电极对厚度及空间形态的需求，且粒子12制备成型过程中添加有固结材料，粒子被切割后，不会导致其结构松散，故而只需合理控制切割出的薄片的厚度相对粒子12的厚度，即可使薄片两面均有分散、外露的粒子12，满足其作用需求，并粒子12稳定嵌固于塑性片11中，粒子12不易脱落，耐冲击性强，大大减少粒子电极的流失，便于回收，且废水处理效果良好；将内嵌粒子浸入含金属活性组分或催化剂的涂覆液中，进而提高粒子12的改性质量。
具体地，首先，内嵌粒子复合电极浸入SnCl4·5H2O(0.5mol/L)和SbCl3(0.05mol/L)的乙醇溶液中，浸渍2～4h后在100～105℃下干燥；然后将50～100份的共聚塑料材料粒子、10～45份的粒子12、1～5份的改性助剂置于混合机中充分混合均匀以得到混合料；然后，将混合料置于双螺杆挤出机中熔融挤出成型为内嵌有粒子12的塑性条；接着，将塑性条切割成型为塑性片内嵌粒子复合电极，或者，首先将塑性条切割成内嵌有粒子12的薄片，然后将薄片弯折成型为塑性片内嵌粒子复合电极；即可获得所需的塑性片内嵌粒子复合电极。
在其它实施例中，塑性片内嵌粒子复合电极的制备方法还可以为：首先，将内嵌粒子浸入SnCl4·5H2O(0.5mol/L)和SbCl3(0.05mol/L)的乙醇溶液中，浸渍2～4h后在100～105℃下干燥；然后将50～100份的共聚塑料材料粒子、1～5份的改性助剂置于混合机中充分混合均匀以得到混合料；然后，将混合料置于双螺杆挤出机中熔融挤出成型为塑性条；接着，将塑性条切割成型为具有空间曲面的塑性片11，或者，先将塑性条切割成薄片，然后再将薄片弯折成具有空间曲面的塑性片11；然后再在塑性片11的表面涂抹粘结胶，如环氧树脂胶，接着将粒子12均匀、分散粘接在塑性片11两面的由于发泡形成的孔中，即可获得所需的塑性片内嵌粒子复合电极。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种塑性片内嵌粒子复合电极，其特征在于，用于悬浮于三维电极的反应器内，所述塑性片内嵌粒子复合电极包括：
起安装支撑作用的塑性片(11)，所述塑性片(11)由塑性材料制备形成，且为具有空间曲面的空间曲面片；
所述塑性片(11)的表面内嵌有分散布设且呈颗粒状的粒子(12)，所述粒子(12)用于与所述反应器内的废水接触后传质，且所述粒子(12)与所述塑性片(11)连接形成复合粒子电极。
2.根据权利要求1所述的塑性片内嵌粒子复合电极，其特征在于，
所述粒子(12)的部分结构内嵌于所述塑性片(11)内，以与所述塑性片(11)固定连接；
所述粒子(12)的其余部分结构外露，以与所述反应器内的废水接触传质。
3.根据权利要求1所述的塑性片内嵌粒子复合电极，其特征在于，
所述空间曲面片的形状不限于抛物柱面、双曲抛物面、波浪形面。
4.根据权利要求1所述的塑性片内嵌粒子复合电极，其特征在于，
所述空间曲面片展平后呈圆形、椭圆形、多边形中的一种。
5.根据权利要求1所述的塑性片内嵌粒子复合电极，其特征在于，
所述粒子(12)的粒径为0.5～1.2mm；
所述塑性片(11)的厚度为0.3～2.2mm。
6.根据权利要求1所述的塑性片内嵌粒子复合电极，其特征在于，
所述塑性片(11)的外径为10～50mm。
7.根据权利要求1所述的塑性片内嵌粒子复合电极，其特征在于，
所述塑性片(11)在所述反应器内的堆积密度为150～200kg/m3；
所述复合粒子电极的比重为0.91～0.99g/cm3。
8.根据权利要求1所述的塑性片内嵌粒子复合电极，其特征在于，
所述塑性材料为共聚塑料材料，不限于聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯；
所述粒子(12)为活性炭基粒子、高岭土粒子、金属粒子、掺杂有陶粒的复合粒子中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的塑性片内嵌粒子复合电极，其特征在于，
所述粒子(12)负载有金属活性组分或催化剂。
10.一种复合粒子电极制备方法，其特征在于，用于制备出如权利要求1-9中任一项所述的塑性片内嵌粒子复合电极，包括以下步骤：
将粒子(12)浸入含金属活性组分或催化剂的涂覆液中，并浸渍后干燥；
将共聚塑料材料粒子、粒子(12)、改性助剂置于混合机中充分混合均匀以得到混合料；
将所述混合料置于挤出机中在共聚材料塑化温度下挤出为内嵌有所述粒子(12)的塑性条；
将所述塑性条切割成型为所述塑性片内嵌粒子复合电极，或者，首先将所述塑性条切割成内嵌有所述粒子(12)的薄片，然后将薄片弯折成型为所述塑性片内嵌粒子复合电极。
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