CN1778464A - 液流式电吸附脱盐装置的炭电极的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液流式电吸附脱盐装置的炭电极的制造方法，属电吸附水处理装置中主要部件炭电极的制造工艺技术领域。本发明方法主要是将高比表面积的电极炭、纳米碳管吸附材料和石墨、碳纤维、纳米碳管导电材料以及粘结剂聚四氟乙烯按一定比例及一定方式混合进行冷压成型，并最终制成中间夹置有集电极的双面电极；该炭电极具有良好的导电性，电阻小、电容量大、且能耗低；另外，经改性的炭电极具有较大比表面积和较大的中孔孔隙率，因此可提高电极对盐类离子的吸附量。本发明方法制得的炭电极特别适于液流式电吸附脱盐装置，且具有较高的脱盐效率。
Description
技术领域：
本发明涉及一种液流式电吸附脱盐装置的炭电极的制造方法，也就是说涉及一种可获得适于液流式电吸附水处理的改性炭电极的制造方法。本发明属电吸附水处理装置中主要部件炭电极的制造工艺技术领域。
背景技术：
液流式电吸附脱盐的水处理方法是以炭材料作电极，并使用集电极、隔膜、外框等组件，形成电吸附装置。主要工作原理为，在通电的条件下，当盐水通过该装置时，水中可溶性盐离子向荷电相反电极移动并吸附在电极上，当电极达饱和吸附时，通过短接或者反接的方式使电极上吸附的离子脱附，从而达到电极再生的目的。
电极成型方法对电极性能有很大的影响。如加入粘结剂会使电极电阻升高、堵塞部分孔隙从而降低电极的离子吸附量。又如要求有一种合适的压制方法，使经过加入一定量的粘结剂后压制成型的电极仍具有利于吸附离子的孔隙以及一定的强度和韧性。
D.Andelman等在US6127474中对电极成型方法作出描述，综合目前国内外利用双电层原理(双面电极)进行脱盐的水处理方法，其电极的成型工艺一般以热压成型为主，而这些方法均加入了大量粘结剂以及其他辅助添加剂，影响了电极性能的发挥。而且采用热压成型方法耗能较大，且制备大面积电极时很难保证温度分布的均匀性。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种液流式电吸附装置的炭电极的制造方法。
本发明的又一个目的是利用兼作为吸附材料和导电材料，具有双重特性的纳米碳管作为电吸附装置炭电极的主要材料，且采用冷压成型方法，以制得大面积高性能的炭电极。
本发明的目的是通过以下技术手段和措施来达到的。
本发明的一种液流式电吸附脱盐装置的炭电极的制造方法，主要是将吸附材料和导电材料按一定比例混合，经过球磨混合，然后用高速砂磨机将该混合材料与粘结剂混合，然后将混合料真空干燥到一定湿度后，加压成型成所需厚度和大小的电极片，再将预先制备好的集电极夹置于双片电极中，并压制成双面电极，即成为共用一集电极的双面电极。
本发明方法的特征在于，该方法具有如下工艺程序和步骤：将电极炭和粉末状PTFE以及聚丙烯材料混合进行热压成型，PTFE比例为0.1～5％(质量百分比)；聚丙烯聚合物为0.01～10％(质量百分比)，还采用不同的比例的合成橡胶、液体树脂等代替聚丙烯，具体实施步骤如下：先将电极炭、PTFE以及聚丙烯聚合物以一定比例充分混合，然后在一定压力和一定温度下热压成型，其原理是利用PTFE在达到融化点后形成的小于5um细小纤维状结构将电极材料粘结在一起，同时利用聚丙烯聚合物提高电极的强度。采用此热压成型的方法，由于加入种类较多的粘接剂和大量辅助材料，不仅降低了电极导电性，还大大减少了碳材料在电极中的比例，从而大大减小了电容量。Koslowd等人在US5019311、US5331037、EP0863520A2中也对炭电极成型方法进行了描述，如在EP0863520A2中，利用17％乙烯基乙二酸二乙烯酯、10％石墨、68％活性炭、5％的石墨薄片，在135℃温度下用对辊机压制在石墨箔集电极上，此种成型方法加入的除活性炭材料以外的附加材料比较多，电极吸附能力较弱。D.Andelman等人在US5779891中提到使用纳米碳管作电极材料，但是没有具体实施例介绍。
首先选用电极原料进行配料，本发明使用的电极材料实际上包含有并可分为吸附材料和导电材料；吸附材料可采用纳米碳管或高比表面积电极炭中的任一种或一种以上；导电材料有碳纤维、石墨、纳米碳管中任一种或一种以上；吸附材料与导电材料混合比例为100∶0～70∶30(质量百分比)，最佳为80∶20～95∶5(质量百分比含量)；将配合料放入球磨机中充分混合；
然后用高速砂磨机将上述混合材料与少量粘结剂聚四氟乙烯(PTFE)乳液，进行充分搅拌混合；搅拌过程中加入适量酒精分散剂，使聚四氟乙烯乳液充分分散，形成粘稠状浆料；
将上述浆料真空干燥至一定湿度；
在对辊机上进行冷压成型，冷压压制成所需厚度的炭电极片；
然后用导电石墨乳液将上述压制好的炭电极片分别粘结在集电极的两个面上，制成夹置有集电极的双面电极；集电极可采用碳纤维布，柔性石墨纸或石墨布其中的任一种；
最后将上述双面电极在烘箱中烘干，所制得炭电极即为成品。
所述的吸附材料中最佳的为纳米碳管，它为单壁纳米碳管或多壁纳米碳管，纳米碳管长度为50-300nm，轴径为5-50nm；也可选用高比表面积电极炭，其比表面积为1000m2/g～3000m2/g。
所述的混合配合料的球磨机的工作转速为500～3000转/分钟，最佳为1000～1500转/分钟。
所述的与混合料混合的粘结剂为聚四氟乙烯(PTFE)乳液，其浓度为60％(质量百分比)，其在混合材料中所占的比例为1％～15％(质量百分比含量)，最佳为3％～10％(质量百分比含量)。
所述的高速砂磨机高速旋转的分散头在5000转/分钟条件下分散20～60分钟；以使粘结剂充分分散到炭材料中。
所述的双面电极，即共用一集电极的双面电极，其总厚度为1～3mm，而集电极的厚度为0.1-1.2mm。
所述的将炭电极片粘结于集电极面上的粘结剂导电石墨乳，其电阻率为0.02Ω.cm～1.7Ω.cm。
本发明方法具有的众多优点及其效果可叙述于下：
1.本发明方法中使用了纳米炭管，纳米炭管具有特殊的中孔结构，其孔径在5-50nm之间，内部不存在所谓的“死孔”，所有的孔都是对外开放的，使离子脱附和吸附变的很容易。且纳米碳管有较好的导电性，并有一定的增强作用，可使电极具有较高的导电率、较好的强度和韧性。本发明中所用的纳米碳管，可兼作吸附材料和导电材料，起到双重性能作用。
2.本发明中采用了适量的聚四氟乙烯(PTFE)作为粘结剂具有一定优越性。PTFE是一种化学性质稳定的聚合物，几乎不溶于大部分的有机溶剂，不会随着外加电压和电流以及浸渍在无机溶剂中而发生性质上的改变，因此适合作电极粘结剂。本发明中通过高速砂磨分散的方法，使PTFE很好地分散在炭材料中；乳状PTFE由于结构细微，不容易将炭材料内部孔隙堵塞。通过控制PTFE的加入量、可保证均匀分散于炭材料中，并可以保证粘结剂的加入对炭电极性能响较小。
3.采用球磨体混合吸附材料和导电材料碳纤维或石墨，该混合后的材料具有良好的均匀性和导电性。特别是碳纤维，可增加电极强度和导电性能。
4.本发明中不采用传统的热压成型法，而采用冷压成型法；由于冷压成型法采用的对辊机辊子表面光滑平整，特别是本发明在使用比较少的粘接剂情况下，经过冷压成型，可以制成高均匀导电性能、高平整度和均匀厚度的电极。
5.本发明采用了双面电极中间夹有集电极的方法，使整个炭电极具有良好的骨架结构，并能使电流在电极上均匀分布，与单面电极相比，可有效提高单位面积电极的脱盐效率。
本发明中所用的集电极为碳纤维布和柔性石墨纸，它们都具有良好的耐腐蚀本发明方法所制得的炭电极具有良可得到较大比表面积和较大的中孔孔隙率，因此可提高电极对盐类离子的吸收量。本发明方法制得的炭电极特别适于液流式电吸附脱盐装置的电吸附水处理装置中的炭电极部件。由于电极电阻较小，电容量大，故具有较高的脱盐效率。
具体实施方案：
实施例一：本实施例根据前述的工艺程序和步骤进行制造炭电极。
本实施例采用的原料为电极炭和纳米碳管，电极炭的比表面积为2000m2/g，纳米碳管的长度在80-200nm范围内，轴径为10-30nm；以制造100克混合炭材料为例，将两种原料以80∶20的重量百分比，在球磨机中混合，球磨后，在另加入5％，即5克的聚四氟乙烯乳液粘结剂，再经高速砂磨机进行充分搅拌混和后，并加入少量酒精分散剂，使聚四氟乙烯乳液充分分散，形成粘稠状浆料；将该浆料真空干燥到一定湿度后，在对辊机上冷压成型，冷压压制所需厚度为1mm的炭电极片，然后用导电石墨乳将上述炭电极粘结于柔性石墨纸集电极的两个面上，制成夹置有集电极的双面电极，其厚度为2mm。
将上述方法制成的双面电极，取10片构成一电极组单元，装在液流式电吸附脱盐装置中进行测试，当浓度为2000ppm盐水以3L/h通过该装置时，在电极两端施加2.0V的电压，结果出水浓度为400ppm，其脱盐率达90％。
实施例二：本实施例的工艺程序和步骤与实施例一相同。
本实施例采用的原料为电极炭和导电石墨，电极炭的比表面积为2000m2/g，以制造100克混合炭材料为例，将两种原料以85∶15的重量百分比，在球磨机中混合，球磨后，用水稀释，加入的水的量是上述混合材料重量的2倍，即200克；再加入5％，即5克的聚四氟乙烯乳液粘结剂(聚四氟乙烯的质量百分比浓度为60％，可先用超声波震荡均匀)，再经高速砂磨机进行充分搅拌混和，并加入酒精分散剂，使聚四氟乙烯乳液充分分散，形成粘稠状浆料，将该浆料真空干燥到一定湿度后，在对辊机上冷压成型，冷压压制所需厚度为1mm的炭电极片，然后用导电石墨乳将上述炭电极粘结于柔性石墨纸集电极的两个面上，制成夹置有集电极的双面电极，其厚度为2.7mm。
将上述方法制成的双面电极，取10片构成一电极组单元，装在液流式电吸附脱盐装置中进行测试，当浓度为2000ppm盐水以3L/h通过该装置时，在电极两端施加2.0V的电压，出水浓度为400ppm，脱盐率为80％。
实施例三：本实施例的工艺程序和步骤与实施例一相同。
本实施例采用的原料为电极炭和碳纤维，电极炭的比表面积为2000m2/g，以制造100克混合炭材料为例，将两种原料以95∶5的重量百分比，在球磨机中混合，混合料搅拌后，碳纤维仍有碳纤维结构；再加入5％，即5克的聚四氟乙烯乳液粘结剂，再经高速砂磨机进行充分搅拌混和，并加入适量的酒精分散剂，使聚四氟乙烯乳液充分分散，形成粘稠状浆料，将该浆料真空干燥到一定湿度后，在对辊机上冷压成型，冷压压制所需厚度为1mm的炭电极片，然后用导电石墨乳将上述炭电极粘结于导电性良好的石墨纸集电极的两个面上，制成夹置有集电极的双面电极，其厚度为2.5mm。
将上述方法制成的双面电极，取10片构成一电极组单元，装在液流式电吸附脱盐装置中进行测试，当浓度为2000ppm盐水以3L/h通过该装置时，在电极两端施加2.0V的电压，出水浓度为350ppm，脱盐率为82.5％。
Claims (7)
1.一种液流式电吸附脱盐装置的炭电极的制造方法，主要是将吸附材料和导电材料按一定比例混合，经过球磨混合，然后用高速砂磨机将该混合材料与粘结剂混合，然后将混合料真空干燥到一定湿度后，加压成型成所需厚度和大小的电极片，再将预先制备好的集电极夹置于双片电极中，并压制成双面电极，即成为共用一集电极的双面电极；本发明方法的特征在于，该方法具有如下工艺程序和步骤：
a.首先选用电极原料机进行配料，本发明使用的电极材料实际上包含有并可分为吸附材料和导电材料；吸附材料可采用纳米碳管或高比表面积电极炭中的任一种或一种以上；导电材料有碳纤维、石墨、纳米碳管中任一种或一种以上；吸附材料与导电材料混合比例为100∶0～70∶30(质量百分比)，最佳为80∶20～95∶5(质量百分比含量)；将配合料放入球磨机中充分混合；
b.然后用高速砂磨机将上述混合材料与少量粘结剂聚四氟乙烯(PTFE)乳液，进行充分搅拌混合；搅拌过程中加入适量酒精分散剂，使聚四氟乙烯乳液充分分散，形成粘稠状浆料；
c.将上述浆料真空干燥至一定湿度；
d.在对辊机上进行冷压成型，冷压压制成所需厚度的炭电极片；
e.然后用导电石墨乳液将上述压制好的炭电极片分别粘结在集电极的两个面上，制成夹置有集电极的双面电极；集电极可采用碳纤维布，柔性石墨纸或石墨布其中的任一种；
f.最后将上述双面电极在烘箱中烘干，所得的炭电极即为成品。
2.根据权利要求1所述的液流式电吸附脱盐装置的炭电极的制造方法，其特征在于，所述的吸附材料中最佳的为纳米碳管，它为单壁纳米碳管或多壁纳米碳管，纳米碳管长度为50-300nm，轴径为5-50nm；也可选用高比表面积电极炭，其比表面积为1000m2/g～3000m2/g。
3.根据权利要求1所述的液流式电吸附脱盐装置的炭电极的制造方法，其特征在于，所述的混合配合料的球磨机的工作转速为500～3000转/分钟，最佳为1000～1500转/分钟。
4.根据权利要求1所述的液流式电吸附脱盐装置的炭电极的制造方法，其特征在于，所述与混合料混合的粘结剂为聚四氟乙烯(PTFE)乳液，其浓度为60％(质量百分比)，其在混合材料中所占的比例为1％～15％(质量百分比含量)，最佳为3％～10％(质量百分比含量)。
5.根据权利要求1所述的液流式电吸附脱盐装置的炭电极的制造方法，其特征在于，所述的高速砂磨机高速旋转的分散头在5000转/分钟条件下分散20～60分钟；以使粘结剂充分分散到炭材料中。
6.根据权利要求1所述的液流式电吸附脱盐装置的炭电极的制造方法，其特征在于，所述的双面电极，即共用一集电极的双面电极，其总厚度为1～3mm，而集电极的厚度为0.1-1.2mm。
7.根据权利要求1所述的液流式电吸附脱盐装置的炭电极的制造方法，其特征在于，所述的将炭电极片粘结于集电极面上的粘结剂导电石墨乳，其电阻率为0.02Ω.cm～1.7Ω.cm。
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