改性生物炭基电极及电解装置的制作方法

本实用新型涉及环保领域，具体而言，涉及改性生物炭基电极及电解装置。
背景技术：
：电化学废水处理过程是包括电解絮凝、电解氧化、电解还原及电解气浮等多种物理化学共同作用的结果，主要利用电极与电能的相互作用对废水进行处理。电极是电化学处理设备的核心部分，电极材料及结构形式对电化学处理设备的性能具有十分重要的作用。技术实现要素：本实用新型的目的在于提供一种改性生物炭基电极，其能够快速的治理水体污染，其对受污染水体中的各种离子的吸附能力极强，特别是水体中的各种有机污染离子；且该改性生物炭基电极被压制成型后的结构稳定，使用寿命较长，可以明显降低使用炭基电极治理水体污染的成本。本实用新型的另一目的在于提供一种电解装置，其将上述改性生物炭基电极设置于底座，并将其作为整体放置于需要治理的水域中，使电极的使用和安装更加便利。本实用新型的实施例是这样实现的：一种改性生物炭基电极，其包括绝缘层和附着于绝缘层两侧的第一电极层和第二电极层，绝缘层贴合第一电极层和第二电极层的两侧均设置有至少一个凹点，第一电极层与第一电源接口连接，第二电极层与第二电源接口连接。一种电解装置，其包括底座和上述的改性生物炭基电极，改性生物炭基电极设置于底座，底座设置有用于穿过电源线的通孔。本实用新型实施例的改性生物炭基电极及电解装置的有益效果是：将改性生物炭基电极设置于底座，形成该电解装置，将其作为整体放置于需要治理的水域中，使电极的使用和安装更加便利；该改性生物炭基电极能够快速的治理水体污染，其对受污染水体中的各种离子的吸附能力极强，特别是水体中的各种有机污染离子；且该改性生物炭基电极被压制成型后的结构稳定，其使用寿命较长，可以明显降低使用炭基电极治理水体污染的成本。附图说明为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。图1为本实用新型实施例的改性生物炭基电极的结构示意图；图2为图1中Ⅱ处的放大示意图；图3为本实用新型实施例的绝缘层的结构示意图；图4为本实用新型实施例的底座的结构示意图；图5为图4中Ⅴ处的放大示意图。图标：10-改性生物炭基电极；100-第一电极层；200-第二电极层；300-绝缘层；310-凹点；320-凸起；110-第一电源接口；120-第二电源接口；400-底座；410-通孔；420-凹槽；430-凸块。具体实施方式为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。下面通过实施例对本实用新型的改性生物炭基电极及电解装置进行具体说明。实施例请参照图1和图2，本实用新型的实施例提供一种改性生物炭基电极10，包括绝缘层300和附着于绝缘层300两侧的第一电极层100和第二电极层200；且第一电极层100与第一电源接口110连接，第二电极层200与第二电源接口120连接。需要说明的是，本实用新型的绝缘层300可以采用橡胶、塑料、绝缘纤维制品等材料制备，本实施例采用的是绝缘纤维制品。请参照图3，绝缘层300用于贴合第一电极层100和第二电极层200的两侧均设置有至少一个凹点310，本实施例中的凹点310数量为四个，且均匀的分布于绝缘层300的四个顶角处。进一步地，在设置有凹点310的侧面还可以设置凸起320，凸起320的数量可进行多种选择，本实施例中的凸起320数量同样为四个，且均匀的分布于绝缘层300设置凹点310的四个顶角处。需要说明的是，第一电极层100、第二电极层200和绝缘层300是压制成型的，且作为优选采用的是热压。具体地，上述热压的压力为10-20MPa，温度为200-300℃。由于绝缘层300的表面具有凹点310和凸起320，因而，在将第一电极层100和第二电极层200热压于绝缘层300时，可以增加第一电极层100、第二电极层200和绝缘层300之间的接触面积，进而增加电极层和绝缘层300之间的附着力，提高该改性生物炭基电极10的结构的稳定性，使其具有较长的使用寿命，可以降低使用炭基电极治理水体污染的成本。需要进一步说明的是，凹点310的下陷深度为1-8mm，凹点310的内径为2-5mm，根据相关需要可进行具体的选择。本实施例中的凹点310的下陷深度为5mm、内径为5mm，上述凹点310的大小并不是唯一的，还可以根据绝缘层300的厚度做出相应的调整。进一步地，第一电极层100的厚度为5-10mm，第二电极层200的厚度为5-10mm。第一电极层100和第二电极层200在适宜的厚度下，具有良好的吸附性能，且制备出的改性生物炭基电极10体积较小，但其具备的吸附能力不会因此而减弱，即该改性生物炭基电极10所占用的安装体积小。具体地，本实施例中第一电极层100和第二电极层200的厚度均为10mm。更进步一地，第一电极层100和第二电极层200的高度为30-35cm，因而，确保了该改性生物炭基电极10具有较强的吸附性能。具体地，本实施例中第一电极层100和第二电极层200的高度均为30cm。具体地，上述绝缘层300的厚度为10-20mm，由于第一电极层100和第二电极层200在使用时需要分别通入不同的电流，适宜的绝缘层300厚度，能够保证第一电极层100和第二电极层200之间不会相互产生影响；且适宜的绝缘层300厚度有利于侧面上凹点310的设置，可以适当的增加凹点310的下陷深度，即可增加凹点310的表面积，使第一电极层100和第二电极层200在热压后与绝缘层300的附着更加牢靠。本实施例中的绝缘层300的厚度为10mm。进一步地，该改性生物炭基电极10的横截面呈锯齿状的，锯齿状的炭基电极和平面的炭基电极相比，具有更大的表面积，有利于提升该改性生物炭基电极10的吸附能力和效率。上述第一电源接口110和第一电极层100可拆卸连接，上述可拆卸连接可以是螺纹连接或卡接等，本实施例中采用的是螺纹连接，若第一电源接口110或改性生物炭基电极10中的任一个出现故障，则可以只对其中一个进行更换，在一定程度上降低该改性生物炭基电极10的使用成本。进一步地，第二电源接口120与第二电极层200之间同样为可拆卸连接，例如螺纹连接或卡接等，本实施例中选用螺纹连接。本实施例还提供一种电解装置(图未示)，请参照图4和图5，其包括底座400和前述的改性生物炭基电极10，该改性生物炭基电极10设置于底座400，底座400开设有用于穿过电源线的通孔410。进一步地，底座400设置有至少一个用于嵌设上述改性生物炭基电极10的凹槽420，且每个凹槽420的开口处设置有两个对称的凸块430，避免改性生物炭基电极10安装于凹槽420后从中脱出。更进一步地，上述对称设置的凸块430可以选用具有弹性的材料制成，例如：橡胶、不锈钢等，本实施例选用的为橡胶。需要说明的是，用弹性材料制备凸块430，除了可以用于防止改性生物炭基电极10从底座400脱出，还可以对底座400上的改性生物炭基电极10进行更换，即可延长底座400的使用时间，降低一定的污染治理成本。具体地，请继续参照图4，底座400上可以设置至少两个凹槽420，相邻凹槽420之间的间距为1-3cm，同一底座400上的改性生物炭基电极10的间隔距离适宜，可以进一步地提升其对水体中的污染离子的吸附；本实施例中的凹槽420数量为5个，间距为3cm。需要说明的是，底座400上设置的凹槽420数量，不是一定要和改性生物炭基电极10的数量完全对应，例如：本实施例中的凹槽420数量为5个，可以在使用该电解装置时，根据水体的污染程度选择需要的改性生物炭基电极10的数量，例如：2个或3个，不是必须将5个凹槽420都安装上改性生物炭基电极10。前述的第一电极层100和第二电极层200均为改性生物炭基电极片。将上述改性生物炭基电极片附着于绝缘层300的两侧压制成型。上述改性生物炭基电极片的制备方法如下：改性生物炭基电极片的制备方法如下：将改性生物炭、吸附材料和导电材料混合，得到导电混合物；在导电混合物中添加粘接剂和分散剂，搅拌，得到电吸附混合物；将电吸附混合物干燥至含水量为30-50％，进行热压成型；热压成型的压力为10-20MPa，温度为200-300℃。具体地，热压成型的时间为30-50min，经过热压足以让该改性生物炭基电极片成型，且使其具有足够的强度，能够有较长的使用寿命。需要说明的是，先将电吸附混合物进行干燥，在进行热压成型，可以提高热压成型的均匀性，形成的改性生物炭基电极片的表面更加光滑平整，导电性能高且均匀。优选地，改性生物炭、吸附材料和导电材料的重量比为8-9:6-7:6-7。导电材料有大量在电场作用下能够自由移动的带电粒子，将其加入改性生物炭基电极片中，能够给予该改性生物炭基电极片良好的通电性能，使该改性生物炭基电极片中的改性生物炭在较高强度的电场中发挥出良好的电吸附效果。添加充足的导电材料，可以在混合改性生物炭、吸附材料和导电材料时，使导电材料在导电混合物中分散的更加均匀，且供给于该改性生物炭基电极片充足的电量，使其能够充分的进行电吸附，除去水体中污染离子的效率更高。优选地，导电材料可以选自碳纤维、石墨或纳米碳管中的至少一种，上述的各种导电材料除了可以给改性生物炭基电极片良好的导电性能，还能够利用上述各种导电材料回收水体中的各种重金属离子，还具有一些特殊的吸收能力；例如：碳纤维，碳纤维的主要成分是C，还有少量的O、H、N或S，其结构为三维空间有序性相对较差的类石墨层堆叠，表面含有多种含氧官能团(如羟基、羧基、羰基)、含氮官能团(胺基、亚胺基)，这些官能团具有特殊的吸收能力，并且容易与极性吸附质形成氢键，能够对带有芳环的吸附质产生诱导力，并与芳环的π电子较容易亲和，另外对含O、Cl类物质也有很好的吸附能力。吸附材料即一种吸附剂，能够有效地从液体中吸附其中某些成分的固体物质，例如：纳米碳纤维或电极炭中的至少一种，上述吸附剂都具有：比表面大、具有孔结构等特性，故将上述吸附材料添加于改性生物炭基电极片中能够进一步加强制得的改性生物炭基电极10对水体中的污染物质的吸附能力。上述改性生物炭优选地采用以下方式制备：将生物炭粉末混入0.3-0.5mol/L的盐酸或次氯酸，在50-60℃条件下搅拌后，水洗，烘干，得到酸性生物炭；将酸性生物炭放入金属盐溶液中浸渍40-50min，洗净；再加入还原剂，搅拌后进行升温回流处理，冷却后过滤、水洗、烘干。将生物炭粉末混入盐酸和次氯酸溶液中进行氧化改造，可以提高生物炭表面的含氧酸性基团的含量，增强表面极性。具体地，将生物碳粉末与盐酸或次氯酸混合后，在温度为50-60℃、搅拌速率为300-500rpm条件下搅拌7-8h，使生物碳粉末被酸化的更加彻底；盐酸和次氯酸对生物炭粉末的腐蚀性极小，能够减少该改性生物炭基电极片在制备过程中的损失，降低生产成本；且由于盐酸和次氯酸的氧化性较为温和，故制得的酸性生物炭的表面几何形状更加均一，因而由其制得的改性生物炭基电极片的整体吸附、治理水体污染的能力更强。上述的金属盐溶液可以是质量百分数为20-30％的硝酸铁或30-40％的硫酸铝中的至少一种；酸性生物炭能够将金属盐溶液中的金属离子吸附后，再还原成单质或低价态的离子，由于金属或金属离子对被吸附物较强的结合力，从而提高了制得的改性生物炭对吸附质的吸附性能。具体地，用金属盐溶液浸渍酸性生物炭时，在超声波震荡器中进行，且超声频率为80-100KHz。在超声波的作用下，可以使金属盐溶液和酸性生物炭充分接触，即促使金属盐溶液进入酸性生物炭的各个细小孔洞中，提高酸性生物炭表面吸附的金属或金属离子的量，而进一步提高制得的改性生物炭对吸附质的吸附性能。在经过金属盐溶液浸渍过的酸性生物炭中添加还原剂，可以对生物炭表面的官能团进行还原改性，从而提高含氧碱性基团的含量，增强表面的非极性，提高其对非极性物质的吸附能力。具体地，还原剂包括0.1mol/L的NaOH溶液、0.1mol/L的硫酸亚铁溶液等。对添加了还原剂的酸性生物炭在120-140℃条件下，升温回流3-5h。适当的提高了升温回流的温度，从而加快了升温回流反应的速率，从而提高了制备的效率。上述升温回流是指对反应溶液进行加热，使溶剂变成蒸汽挥发后再冷凝流回反应溶液中。前述烘干利用烘干机进行，且在50-60℃条件下进行烘干工序，在此温度条件下，烘干完成后的改性生物炭不易回水，有利于后期制备改性生物炭基电极10时的使用。进一步优选地，上述的导电混合物、粘接剂和分散剂之间的投量重量比为12-20:2-10:1-2。具体地，粘接剂为聚四氟乙烯乳液(PTFE)，分散剂为酒精。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。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。而酒精能够使粘接剂聚四氟乙烯乳液在导电混合物中混合的更加均匀。进一步地，聚四氟乙烯乳液(PTFE)的质量浓度为40-50％，酒精的质量浓度为60-70％。在上述浓度的酒精的作用下，不仅可以使PTFE在导电混合物中分散均匀，还可以在后期的热压工艺中将多余的酒精挥发，避免多余酒精留置于改性生物炭基电极片中，影响其导电性，即可以确保制得的改性生物炭基电极片具有良好的电吸附性能。以下结合试验例对改性生物炭基电极的制备方法作进一步的详细描述。试验例1将生物炭粉末混入0.3mol/L的盐酸溶液中，在温度为50℃、搅拌速度为500rpm条件下，搅拌8h后，水洗，烘干；再放入30％的硝酸铁溶液中，在100KHz超声波条件下，浸渍40min，取出洗净；再加入0.1mol/L的NaOH溶液，在140℃条件下，升温回流3h，过滤，洗净；再在50℃条件下烘干，得改性生物炭。将改性生物炭、纳米碳纤维和石墨按照重量比9:7:7进行混合，得到导电混合物；再将导电混合物、质量浓度为50％的聚四氟乙烯乳液和质量浓度为70％的酒精按照重量比12:2:1混合，得到电吸附混合物；将电吸附混合物干燥至含水量为30％后，在压力为10MPa、温度为300℃条件下，热压30min，即制得改性生物炭基电极片。将改性生物炭基电极片分别附着于绝缘层的两侧，在压力为10MPa、温度为300℃条件下，热压成型，制得改性生物炭基电极。试验例2将生物炭粉末混入0.5mol/L的次氯酸溶液中，在温度为60℃、搅拌速度为300rpm条件下，搅拌7h后，水洗，烘干；再放入20％的硝酸铁和30％的硫酸铝的混合溶液中，在80KHz超声波条件下，浸渍50min，取出洗净；再加入0.1mol/L的硫酸亚铁溶液，在120℃条件下，升温回流5h，过滤，洗净；再在60℃条件下烘干，得改性生物炭。将改性生物炭、电极炭和导电材料按照重量比4:3:3进行混合，其中导电材料包括碳纤维、石磨和纳米碳管，得到导电混合物；再将导电混合物、质量浓度为40％的聚四氟乙烯乳液和质量浓度为60％的酒精按照重量比10:5:1混合，得到电吸附混合物；将电吸附混合物干燥至含水量为50％后，在压力为20MPa、温度为200℃条件下，热压50min，即制得改性生物炭基电极片。将改性生物炭基电极片分别附着于绝缘层的两侧，在压力为20MPa、温度为200℃条件下，热压成型，制得改性生物炭基电极。试验例3将生物炭粉末混入0.4mol/L的盐酸溶液中，在温度为55℃、搅拌速度为400rpm条件下，搅拌7.5h后，水洗，烘干；再放入40％的硫酸铝溶液中，在90KHz超声波条件下，浸渍45min，取出洗净；再加入0.1mol/L的NaOH溶液，在130℃条件下，升温回流4h，过滤，洗净；再在55℃条件下烘干，得改性生物炭。将改性生物炭、吸附材料和碳纤维按照重量比17:13:13进行混合，其中吸附材料包括纳米碳纤维和电极炭，得到导电混合物；再将导电混合物、质量浓度为45％的聚四氟乙烯乳液和质量浓度为65％的酒精按照重量比15:7:1混合，得到电吸附混合物；将电吸附混合物干燥至含水量为40％后，在压力为15MPa、温度为250℃条件下，热压40min，即制得改性生物炭基电极片。将改性生物炭基电极片分别附着于绝缘层的两侧，在压力为15MPa、温度为250℃条件下，热压成型，制得改性生物炭基电极。试验例4将生物炭粉末混入0.45mol/L的次氯酸溶液中，在温度为57℃、搅拌速度为450rpm条件下，搅拌7.2h后，水洗，烘干；再放入25％的硝酸铁和35％的硫酸铝的混合溶液中，在85KHz超声波条件下，浸渍47min，取出洗净；再加入0.1mol/L的硫酸亚铁溶液，在135℃条件下，升温回流3.5h，过滤，洗净；再在52℃条件下烘干，得改性生物炭。将改性生物炭、电极炭和纳米碳管按照重量比3:2:2进行混合，得到导电混合物；再将导电混合物、质量浓度为42％的聚四氟乙烯乳液和质量浓度为62％的酒精按照重量比17:5:2混合，得到电吸附混合物；将电吸附混合物干燥至含水量为45％后，在压力为18MPa、温度为270℃条件下，热压45min，即制得改性生物炭基电极片。将改性生物炭基电极片分别附着于绝缘层的两侧，在压力为18MPa、温度为250℃条件下，热压成型，制得改性生物炭基电极。比较普通石墨电极(对比例)和试验例1-4的改性生物炭基电极对水中的Zn2+和Cd2+的除去能力。将石墨电极作为阳极、铁棒作为阴极，在电压10V、电流0.1A条件下电解1.5h；将试验例1-4的改性生物炭基电极的第一电极层作为阳极、第二电极层作为阴极，在电压10V、电流0.1A条件下电解1.5h；测定水体中Zn2+和Cd2+的去除率，测定方法参照GB/T7475-1987进行。结果见表1。表1用各电极处理后水体中Zn2+和Cd2+的去除率组号对比例试验例1试验例2试验例3试验例4Zn2+19％37％31％27％33％Cd2+16％35％25％31％29％由表1结果可知，试验例的改性生物炭基电极对于水体中的Zn2+和Cd2+的去除效果更加明显，说明试验例的改性生物炭基电极治理水污染的能力更强。综上所述，本实用新型的改性生物炭基电极安装于底座形成及电解装置，该电解装置作为整体放置于需要治理的水域中，使电极的使用和安装更加便利；该改性生物炭基电极能够快速的治理水体污染，其对受污染水体中的各种离子的吸附能力极强，特别是水体中的各种有机污染离子；且该改性生物炭基电极被压制成型后的结构稳定，其使用寿命较长，可以明显降低使用炭基电极治理水体污染的成本。以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。当前第1页1 2 3