專(zhuān)利名稱(chēng)：液流式電吸附脫鹽裝置的炭電極的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液流式電吸附脫鹽裝置的炭電極的制造方法，也就是說(shuō)涉及一種可獲得適于液流式電吸附水處理的改性炭電極的制造方法。本發(fā)明屬電吸附水處理裝置中主要部件炭電極的制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
液流式電吸附脫鹽的水處理方法是以炭材料作電極，并使用集電極、隔膜、外框等組件，形成電吸附裝置。主要工作原理為，在通電的條件下，當(dāng)鹽水通過(guò)該裝置時(shí)，水中可溶性鹽離子向荷電相反電極移動(dòng)并吸附在電極上，當(dāng)電極達(dá)飽和吸附時(shí)，通過(guò)短接或者反接的方式使電極上吸附的離子脫附，從而達(dá)到電極再生的目的。
電極成型方法對(duì)電極性能有很大的影響。如加入粘結(jié)劑會(huì)使電極電阻升高、堵塞部分孔隙從而降低電極的離子吸附量。又如要求有一種合適的壓制方法，使經(jīng)過(guò)加入一定量的粘結(jié)劑后壓制成型的電極仍具有利于吸附離子的孔隙以及一定的強(qiáng)度和韌性。
D.Andelman等在US6127474中對(duì)電極成型方法作出描述，綜合目前國(guó)內(nèi)外利用雙電層原理(雙面電極)進(jìn)行脫鹽的水處理方法，其電極的成型工藝一般以熱壓成型為主，而這些方法均加入了大量粘結(jié)劑以及其他輔助添加劑，影響了電極性能的發(fā)揮。而且采用熱壓成型方法耗能較大，且制備大面積電極時(shí)很難保證溫度分布的均勻性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種液流式電吸附裝置的炭電極的制造方法。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是利用兼作為吸附材料和導(dǎo)電材料，具有雙重特性的納米碳管作為電吸附裝置炭電極的主要材料，且采用冷壓成型方法，以制得大面積高性能的炭電極。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)手段和措施來(lái)達(dá)到的。
本發(fā)明的一種液流式電吸附脫鹽裝置的炭電極的制造方法，主要是將吸附材料和導(dǎo)電材料按一定比例混合，經(jīng)過(guò)球磨混合，然后用高速砂磨機(jī)將該混合材料與粘結(jié)劑混合，然后將混合料真空干燥到一定濕度后，加壓成型成所需厚度和大小的電極片，再將預(yù)先制備好的集電極夾置于雙片電極中，并壓制成雙面電極，即成為共用一集電極的雙面電極。
本發(fā)明方法的特征在于，該方法具有如下工藝程序和步驟將電極炭和粉末狀PTFE以及聚丙烯材料混合進(jìn)行熱壓成型，PTFE比例為0.1～5％(質(zhì)量百分比)；聚丙烯聚合物為0.01～10％(質(zhì)量百分比)，還采用不同的比例的合成橡膠、液體樹(shù)脂等代替聚丙烯，具體實(shí)施步驟如下先將電極炭、PTFE以及聚丙烯聚合物以一定比例充分混合，然后在一定壓力和一定溫度下熱壓成型，其原理是利用PTFE在達(dá)到融化點(diǎn)后形成的小于5um細(xì)小纖維狀結(jié)構(gòu)將電極材料粘結(jié)在一起，同時(shí)利用聚丙烯聚合物提高電極的強(qiáng)度。采用此熱壓成型的方法，由于加入種類(lèi)較多的粘接劑和大量輔助材料，不僅降低了電極導(dǎo)電性，還大大減少了碳材料在電極中的比例，從而大大減小了電容量。Koslowd等人在US5019311、US5331037、EP0863520A2中也對(duì)炭電極成型方法進(jìn)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℃溫度下用對(duì)輥機(jī)壓制在石墨箔集電極上，此種成型方法加入的除活性炭材料以外的附加材料比較多，電極吸附能力較弱。D.Andelman等人在US5779891中提到使用納米碳管作電極材料，但是沒(méi)有具體實(shí)施例介紹。
a.首先選用電極原料進(jìn)行配料，本發(fā)明使用的電極材料實(shí)際上包含有并可分為吸附材料和導(dǎo)電材料；吸附材料可采用納米碳管或高比表面積電極炭中的任一種或一種以上；導(dǎo)電材料有碳纖維、石墨、納米碳管中任一種或一種以上；吸附材料與導(dǎo)電材料混合比例為100∶0～70∶30(質(zhì)量百分比)，最佳為80∶20～95∶5(質(zhì)量百分比含量)；將配合料放入球磨機(jī)中充分混合；b.然后用高速砂磨機(jī)將上述混合材料與少量粘結(jié)劑聚四氟乙烯(PTFE)乳液，進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌?；攪拌過(guò)程中加入適量酒精分散劑，使聚四氟乙烯乳液充分分散，形成粘稠狀漿料；c.將上述漿料真空干燥至一定濕度；d.在對(duì)輥機(jī)上進(jìn)行冷壓成型，冷壓壓制成所需厚度的炭電極片；e.然后用導(dǎo)電石墨乳液將上述壓制好的炭電極片分別粘結(jié)在集電極的兩個(gè)面上，制成夾置有集電極的雙面電極；集電極可采用碳纖維布，柔性石墨紙或石墨布其中的任一種；f.最后將上述雙面電極在烘箱中烘干，所制得炭電極即為成品。
所述的吸附材料中最佳的為納米碳管，它為單壁納米碳管或多壁納米碳管，納米碳管長(zhǎng)度為50-300nm，軸徑為5-50nm；也可選用高比表面積電極炭，其比表面積為1000m2/g～3000m2/g。
所述的混合配合料的球磨機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為500～3000轉(zhuǎn)/分鐘，最佳為1000～1500轉(zhuǎn)/分鐘。
所述的與混合料混合的粘結(jié)劑為聚四氟乙烯(PTFE)乳液，其濃度為60％(質(zhì)量百分比)，其在混合材料中所占的比例為1％～15％(質(zhì)量百分比含量)，最佳為3％～10％(質(zhì)量百分比含量)。
所述的高速砂磨機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的分散頭在5000轉(zhuǎn)/分鐘條件下分散20～60分鐘；以使粘結(jié)劑充分分散到炭材料中。
所述的雙面電極，即共用一集電極的雙面電極，其總厚度為1～3mm，而集電極的厚度為0.1-1.2mm。
所述的將炭電極片粘結(jié)于集電極面上的粘結(jié)劑導(dǎo)電石墨乳，其電阻率為0.02Ω.cm～1.7Ω.cm。
本發(fā)明方法具有的眾多優(yōu)點(diǎn)及其效果可敘述于下1.本發(fā)明方法中使用了納米炭管，納米炭管具有特殊的中孔結(jié)構(gòu)，其孔徑在5-50nm之間，內(nèi)部不存在所謂的“死孔”，所有的孔都是對(duì)外開(kāi)放的，使離子脫附和吸附變的很容易。且納米碳管有較好的導(dǎo)電性，并有一定的增強(qiáng)作用，可使電極具有較高的導(dǎo)電率、較好的強(qiáng)度和韌性。本發(fā)明中所用的納米碳管，可兼作吸附材料和導(dǎo)電材料，起到雙重性能作用。
2.本發(fā)明中采用了適量的聚四氟乙烯(PTFE)作為粘結(jié)劑具有一定優(yōu)越性。PTFE是一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的聚合物，幾乎不溶于大部分的有機(jī)溶劑，不會(huì)隨著外加電壓和電流以及浸漬在無(wú)機(jī)溶劑中而發(fā)生性質(zhì)上的改變，因此適合作電極粘結(jié)劑。本發(fā)明中通過(guò)高速砂磨分散的方法，使PTFE很好地分散在炭材料中；乳狀PTFE由于結(jié)構(gòu)細(xì)微，不容易將炭材料內(nèi)部孔隙堵塞。通過(guò)控制PTFE的加入量、可保證均勻分散于炭材料中，并可以保證粘結(jié)劑的加入對(duì)炭電極性能響較小。
3.采用球磨體混合吸附材料和導(dǎo)電材料碳纖維或石墨，該混合后的材料具有良好的均勻性和導(dǎo)電性。特別是碳纖維，可增加電極強(qiáng)度和導(dǎo)電性能。
4.本發(fā)明中不采用傳統(tǒng)的熱壓成型法，而采用冷壓成型法；由于冷壓成型法采用的對(duì)輥機(jī)輥?zhàn)颖砻婀饣秸?，特別是本發(fā)明在使用比較少的粘接劑情況下，經(jīng)過(guò)冷壓成型，可以制成高均勻?qū)щ娦阅堋⒏咂秸群途鶆蚝穸鹊碾姌O。
5.本發(fā)明采用了雙面電極中間夾有集電極的方法，使整個(gè)炭電極具有良好的骨架結(jié)構(gòu)，并能使電流在電極上均勻分布，與單面電極相比，可有效提高單位面積電極的脫鹽效率。
本發(fā)明中所用的集電極為碳纖維布和柔性石墨紙，它們都具有良好的耐腐蝕本發(fā)明方法所制得的炭電極具有良可得到較大比表面積和較大的中孔孔隙率，因此可提高電極對(duì)鹽類(lèi)離子的吸收量。本發(fā)明方法制得的炭電極特別適于液流式電吸附脫鹽裝置的電吸附水處理裝置中的炭電極部件。由于電極電阻較小，電容量大，故具有較高的脫鹽效率。
具體實(shí)施方案實(shí)施例一本實(shí)施例根據(jù)前述的工藝程序和步驟進(jìn)行制造炭電極。
本實(shí)施例采用的原料為電極炭和納米碳管，電極炭的比表面積為2000m2/g，納米碳管的長(zhǎng)度在80-200nm范圍內(nèi)，軸徑為10-30nm；以制造100克混合炭材料為例，將兩種原料以80∶20的重量百分比，在球磨機(jī)中混合，球磨后，在另加入5％，即5克的聚四氟乙烯乳液粘結(jié)劑，再經(jīng)高速砂磨機(jī)進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌秃?，并加入少量酒精分散劑，使聚四氟乙烯乳液充分分散，形成粘稠狀漿料；將該漿料真空干燥到一定濕度后，在對(duì)輥機(jī)上冷壓成型，冷壓壓制所需厚度為1mm的炭電極片，然后用導(dǎo)電石墨乳將上述炭電極粘結(jié)于柔性石墨紙集電極的兩個(gè)面上，制成夾置有集電極的雙面電極，其厚度為2mm。
將上述方法制成的雙面電極，取10片構(gòu)成一電極組單元，裝在液流式電吸附脫鹽裝置中進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)濃度為2000ppm鹽水以3L/h通過(guò)該裝置時(shí)，在電極兩端施加2.0V的電壓，結(jié)果出水濃度為400ppm，其脫鹽率達(dá)90％。
實(shí)施例二本實(shí)施例的工藝程序和步驟與實(shí)施例一相同。
本實(shí)施例采用的原料為電極炭和導(dǎo)電石墨，電極炭的比表面積為2000m2/g，以制造100克混合炭材料為例，將兩種原料以85∶15的重量百分比，在球磨機(jī)中混合，球磨后，用水稀釋?zhuān)尤氲乃牧渴巧鲜龌旌喜牧现亓康?倍，即200克；再加入5％，即5克的聚四氟乙烯乳液粘結(jié)劑(聚四氟乙烯的質(zhì)量百分比濃度為60％，可先用超聲波震蕩均勻)，再經(jīng)高速砂磨機(jī)進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌停⒓尤刖凭稚?，使聚四氟乙烯乳液充分分散，形成粘稠狀漿料，將該漿料真空干燥到一定濕度后，在對(duì)輥機(jī)上冷壓成型，冷壓壓制所需厚度為1mm的炭電極片，然后用導(dǎo)電石墨乳將上述炭電極粘結(jié)于柔性石墨紙集電極的兩個(gè)面上，制成夾置有集電極的雙面電極，其厚度為2.7mm。
將上述方法制成的雙面電極，取10片構(gòu)成一電極組單元，裝在液流式電吸附脫鹽裝置中進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)濃度為2000ppm鹽水以3L/h通過(guò)該裝置時(shí)，在電極兩端施加2.0V的電壓，出水濃度為400ppm，脫鹽率為80％。
實(shí)施例三本實(shí)施例的工藝程序和步驟與實(shí)施例一相同。
本實(shí)施例采用的原料為電極炭和碳纖維，電極炭的比表面積為2000m2/g，以制造100克混合炭材料為例，將兩種原料以95∶5的重量百分比，在球磨機(jī)中混合，混合料攪拌后，碳纖維仍有碳纖維結(jié)構(gòu)；再加入5％，即5克的聚四氟乙烯乳液粘結(jié)劑，再經(jīng)高速砂磨機(jī)進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌?，并加入適量的酒精分散劑，使聚四氟乙烯乳液充分分散，形成粘稠狀漿料，將該漿料真空干燥到一定濕度后，在對(duì)輥機(jī)上冷壓成型，冷壓壓制所需厚度為1mm的炭電極片，然后用導(dǎo)電石墨乳將上述炭電極粘結(jié)于導(dǎo)電性良好的石墨紙集電極的兩個(gè)面上，制成夾置有集電極的雙面電極，其厚度為2.5mm。
將上述方法制成的雙面電極，取10片構(gòu)成一電極組單元，裝在液流式電吸附脫鹽裝置中進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)濃度為2000ppm鹽水以3L/h通過(guò)該裝置時(shí)，在電極兩端施加2.0V的電壓，出水濃度為350ppm，脫鹽率為82.5％。
權(quán)利要求
1.一種液流式電吸附脫鹽裝置的炭電極的制造方法，主要是將吸附材料和導(dǎo)電材料按一定比例混合，經(jīng)過(guò)球磨混合，然后用高速砂磨機(jī)將該混合材料與粘結(jié)劑混合，然后將混合料真空干燥到一定濕度后，加壓成型成所需厚度和大小的電極片，再將預(yù)先制備好的集電極夾置于雙片電極中，并壓制成雙面電極，即成為共用一集電極的雙面電極；本發(fā)明方法的特征在于，該方法具有如下工藝程序和步驟a.首先選用電極原料機(jī)進(jìn)行配料，本發(fā)明使用的電極材料實(shí)際上包含有并可分為吸附材料和導(dǎo)電材料；吸附材料可采用納米碳管或高比表面積電極炭中的任一種或一種以上；導(dǎo)電材料有碳纖維、石墨、納米碳管中任一種或一種以上；吸附材料與導(dǎo)電材料混合比例為100∶0～70∶30(質(zhì)量百分比)，最佳為80∶20～95∶5(質(zhì)量百分比含量)；將配合料放入球磨機(jī)中充分混合；b.然后用高速砂磨機(jī)將上述混合材料與少量粘結(jié)劑聚四氟乙烯(PTFE)乳液，進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌希粩嚢柽^(guò)程中加入適量酒精分散劑，使聚四氟乙烯乳液充分分散，形成粘稠狀漿料；c.將上述漿料真空干燥至一定濕度；d.在對(duì)輥機(jī)上進(jìn)行冷壓成型，冷壓壓制成所需厚度的炭電極片；e.然后用導(dǎo)電石墨乳液將上述壓制好的炭電極片分別粘結(jié)在集電極的兩個(gè)面上，制成夾置有集電極的雙面電極；集電極可采用碳纖維布，柔性石墨紙或石墨布其中的任一種；f.最后將上述雙面電極在烘箱中烘干，所得的炭電極即為成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液流式電吸附脫鹽裝置的炭電極的制造方法，其特征在于，所述的吸附材料中最佳的為納米碳管，它為單壁納米碳管或多壁納米碳管，納米碳管長(zhǎng)度為50-300nm，軸徑為5-50nm；也可選用高比表面積電極炭，其比表面積為1000m2/g～3000m2/g。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液流式電吸附脫鹽裝置的炭電極的制造方法，其特征在于，所述的混合配合料的球磨機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為500～3000轉(zhuǎn)/分鐘，最佳為1000～1500轉(zhuǎn)/分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液流式電吸附脫鹽裝置的炭電極的制造方法，其特征在于，所述與混合料混合的粘結(jié)劑為聚四氟乙烯(PTFE)乳液，其濃度為60％(質(zhì)量百分比)，其在混合材料中所占的比例為1％～15％(質(zhì)量百分比含量)，最佳為3％～10％(質(zhì)量百分比含量)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液流式電吸附脫鹽裝置的炭電極的制造方法，其特征在于，所述的高速砂磨機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的分散頭在5000轉(zhuǎn)/分鐘條件下分散20～60分鐘；以使粘結(jié)劑充分分散到炭材料中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液流式電吸附脫鹽裝置的炭電極的制造方法，其特征在于，所述的雙面電極，即共用一集電極的雙面電極，其總厚度為1～3mm，而集電極的厚度為0.1-1.2mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液流式電吸附脫鹽裝置的炭電極的制造方法，其特征在于，所述的將炭電極片粘結(jié)于集電極面上的粘結(jié)劑導(dǎo)電石墨乳，其電阻率為0.02Ω.cm～1.7Ω.cm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種液流式電吸附脫鹽裝置的炭電極的制造方法，屬電吸附水處理裝置中主要部件炭電極的制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法主要是將高比表面積的電極炭、納米碳管吸附材料和石墨、碳纖維、納米碳管導(dǎo)電材料以及粘結(jié)劑聚四氟乙烯按一定比例及一定方式混合進(jìn)行冷壓成型，并最終制成中間夾置有集電極的雙面電極；該炭電極具有良好的導(dǎo)電性，電阻小、電容量大、且能耗低；另外，經(jīng)改性的炭電極具有較大比表面積和較大的中孔孔隙率，因此可提高電極對(duì)鹽類(lèi)離子的吸附量。本發(fā)明方法制得的炭電極特別適于液流式電吸附脫鹽裝置，且具有較高的脫鹽效率。
文檔編號(hào)C02F1/28GK1544116SQ20031010859
公開(kāi)日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2003年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月13日
發(fā)明者方建慧, 施利毅, 張建軍, 張登松, 鄧英, 溫軼, 戴凱, 劉繼全, 姜華 申請(qǐng)人:上海大學(xué)