导电滤膜及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料技术领域，特别是涉及一种导电滤膜及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 水是生命之源，近年来随着工业的发展，曝光化工厂导致的水源污染的事件时有 发生，重金属导致的水污染如砷、铅超标等，已经成为危害人们身体健康的隐形杀手。目前 工业上常见的水净化方法主要有：过滤（包括纳滤和微滤）、反渗透、电化学等方法。例如 发明专利201310730485. 5中公开了一种活性炭或者碳纳米纤维负载纳米金属材料的过滤 材料；发明专利200680036553. 6公开了一种由活性炭负载碳纳米管生产过滤芯的方法； 200780022554. X实用新型专利公开了一种电吸附来处理污水的方法；上述两个发明净化 水的原理是采用了过滤和吸附的方法净化水。用过滤和吸附的方法净化水两个难题：①单 位材料的吸附量有限，导致水净化效率低，需要多级吸附或者大量的吸附材料才能实现净 水的目的；②将细菌和微生物吸附在过滤介质表面，很容易引起水体的二次污染；发明专 利200610043827. 6公开了一种超滤膜净化水的方法、发明专利200610015370. 8公开了一 种超滤膜净化水的方法。单纯的超滤和微滤膜是无法滤除重金属的，这是由其膜的过滤孔 径决定的，因为超滤膜的过滤孔径一般为〇. 1?〇. 〇 Ium (微米），而重金属比如铅Pb2+离子 的直径0. 28nm(纳米），是完全能通过超滤膜孔径的。发明专利201380002254. 0公开了一 种过滤水用的反渗透膜的生产方法；反渗透净化水存在两个难题：①反渗透净化水的同时 会产生大量的废水，反渗透膜每生产1吨纯水会产生2-4吨废水；②反渗透方式处理水会将 水中对人体有益的钠、钾、锌一并除去，并不适合人饮用。
[0003] 因此需要开发一种适合用于净水系统的新型的膜材料。
【发明内容】
[0004] 基于此，本发明的目的是提供一种适用于水净化处理的导电滤膜。
[0005] 具体的技术方案如下：
[0006] -种导电滤膜，该导电滤膜主要由导电材料与辅料制备而成，所述导电材料占导 电材料与辅料总质量的5-100 %，所述导电材料选自碳纳米管、尺寸为1-10 μ m的碳纤维、 碳纳米纤维、石墨烯、纳米铜线、纳米银线或导电金属丝中的一种或几种，所述辅料包括辅 助纤维和/或功能填料。
[0007] 在其中一个实施例中，所述辅助纤维选自纸浆纤维、天丝纤维、ES纤维、玻璃纤维、 涤纶纤维、芳纶纤维或聚四氟乙烯纤维中的一种或几种。
[0008] 在其中一个实施例中，所述功能填料选自纳米银颗粒、活性碳颗粒、活性碳纤维、 氧化铝或二氧化钛中的一种或几种。
[0009] 在其中一个实施例中，该导电滤膜的电导率为500-20000s/m。
[0010] 本发明的另一目的是提供上述导电滤膜的制备方法。
[0011] 具体的技术方案如下：
[0012] 上述导电滤膜的制备方法，包括如下步骤：
[0013] 将导电纤维进行表面亲水处理，然后与辅助纤维混合分散于水中，然后再加入功 能填料和助留剂，最后在造纸机上抄造、烘干，即得所述导电滤膜；
[0014] 或，将碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯中的一种或几种与尺寸为1-10 μm的碳纤维 混合分散于水中，然后在造纸机上抄造、烘干、施胶、干燥，再进行高温石墨化，即得所述导 电滤膜；
[0015] 或，将导电材料加热后负载于沥青基碳纤维原丝或聚丙烯晴原丝上，然后进行预 氧化、炭化、石墨化，再纺成碳纤维布，利用电化学或者化学沉积方法将功能填料负载于碳 纤维布上，即得所述导电滤膜。
[0016] 在其中一个实施例中，所述助留剂为聚丙烯酰胺。
[0017] 本发明的另一目的是提供上述导电滤膜的应用。
[0018] 具体的技术方案如下：
[0019] 上述导电滤膜在水净化处理中的应用。
[0020] 本发明的另一目的是提供一种水净化处理装置。
[0021] 具体的技术方案如下：
[0022] 一种水净化处理装置，包括电源和壳体，所述壳体内沿水流动方向依次设有至少 一个正极膜和至少一个负极膜，所述正极膜为与所述电源正极连接的权利要求1-4任一项 所述的导电滤膜，所述负极膜为与所述电源负极连接的权利要求1-4任一项所述的导电滤 膜。
[0023] 在其中一个实施例中，所述正极膜与所述负极膜之间还设有分离支撑膜。
[0024] 本发明的原理和优点如下：
[0025] 本发明的核心是由导电材料与辅助纤维和/或功能填料制备的导电滤膜，导电滤 膜中以微米级粗纤维（包括辅助纤维和导电材料里的碳纤维和导电金属丝）充当力学和导 电骨架，纳米纤维（包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯等）均匀依附在微米级粗纤维上，功 能填料则均匀分布于导电滤膜之中。导电滤膜利用碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、纳米银 线、纳米铜线、金属导电线的优益导电性，利用电化学原理净化水。将导电滤膜连接在电源 上，利用电化学反应原理，接正极的膜发生氧化反应，可除去水中的细菌和有机质；再将去 除有机质和细菌的水通过接电源负极的导电滤膜，利用电化学反应原理，接负极的膜发生 还原反应，重金属离子铜、铁、汞、锰、铅、镍、铬得到电子被还原成金属（负极反应已列出）。 水中的钠、钾、钙、镁由于标准电极电位较低，用本方法不能得到电子还原成金属，因此仍留 在水中，而饮用含微量的上述金属的水对人体有益。因此本发明既可除去水中的细菌、有机 质、重金属又能选择性保持某些对人有益的金属离子。
[0026] Cu2++2e -Cu
[0027] Fe3++3e_-Fe
[0028] Hg2++2e_-Hg
[0029] Mn2++2e_-Mn
[0030] Ni2++2e_-Ni
[0031] CcT+2e-Cd
[0032] 本发明创造性地将电化学原理和复合纳米膜结合用于水净化领域，既利用了电化 学原理正极和负极分别发生氧化反应和氧化反应，也利用了碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤 维、石墨烯、纳米铜、纳米银优异的导电性。两者结合用于水净化领域即可除去水中的细菌 和有机质，又可除去水中有害的重金属。
【附图说明】
[0033] 图1为实施例1所述水净化处理装置的结构示意图；
[0034] 图2为实施例2所述水净化处理装置的剖面结构示意图；
[0035] 图3为实施例2所述水净化处理装置的截面结构示意图。
[0036] 附图标记说明：
[0037] 201、进水口；202、壳体；203、正极膜；204、负极膜；205、出水口；206、电源；207、 分离支撑膜。
【具体实施方式】
[0038] 以下通过实施例对本申请做进一步阐述。
[0039] 实施例1
[0040] 本实施例一种导电滤膜，该导电滤膜主要由导电材料与辅助纤维制备而成，所述 导电材料占导电材料与辅助纤维总质量的15%，所述导电材料为碳纳米纤维，所述辅助纤 维为纸浆纤维和芳纶纤维。该导电滤膜的电导率为3000s/m。
[0041] 上述导电滤膜的制备方法，包括如下步骤：
[0042] 将碳纳米纤维在Fenton试剂中进行氧化处理，清洗，使其接上轻基，再将其分散 于水溶液中，制成碳纳米纤维分散液，将65 %的纸浆纤维与20 %的芳纶纤维分散于水中， 进行轻度打浆，制成浆液；将碳纳米纤维分散液加入浆液中，充分混合，加入聚丙烯酰胺助 留剂，使得羟基化的碳纳米纤维吸附于纸浆纤维上，然后进行抄造成型，烘干，既得导电滤 膜。
[0043] 本实施例一种水净化处理装置，如图1所示。
[0044] 水净化处理装置包括电源206和壳体202,壳体内沿水流动方向依次设有正极膜 203以及负极膜204,所述正极膜为连接电源正极的导电滤膜，所述负极膜为连接电源负极 的导电滤膜。自来水首先经过600目的过滤膜过滤，过滤了杂质的自来水进入水净化处理 装置，依次通过接电源正极的导电滤膜和接电源负极的导电滤膜。自来水需经过上述步骤 净化后的水相关数据见表1。
[0045] 实施例2
[0046] 本实施例一种导电滤膜，该导电滤膜由导电材料与辅料（辅助纤维和功能填料） 制备而成，所述导电材料占导电材料与辅料总质量的50%，所述导电材料为纳米铜线、石墨 烯和碳纤维，所述辅助纤维为天丝纤维。该导电滤膜的电导率为8000s/m。
[0047] 上述导电滤膜的制备方法，包括如下步骤：
[0048] 将5%的石墨烯在Fenton试剂中进行氧化处理，清洗，使其接上羟基，将其分散于 水溶液中，制成石墨烯分散液；将50%的天丝纤维、35%的碳纤维和10%的纳米铜线分散 于水中，进行搅拌，制成浆液；将石墨烯分散液加入浆液中，充分混合，加入聚丙烯酰胺助留 剂，使得羟基化的石墨烯吸附于纸浆纤维上，然后进行抄造成型，烘干，即得导电滤膜，用于 正负极膜。
[0049] 本实施例一种水净化处理装置，如图2和图3所示。
[0050] 水净化处理装置包括电源206和壳体202,壳体内沿水流动方向依次设有正极膜 203、分离支撑膜207以及两个负极膜204 ;自来水首先经过600目的过滤膜过滤，过滤了杂 质的自来水进入水净化处理装置，再依次通过接电源正极的导电滤膜和接电源负极的导电 滤膜，自来水需经过上述步骤净化后的水相关数据见表1。
[0051] 实施例3
[0052] 本实施例一种导电滤膜，该导电滤膜由导电材料与功能填料制备而成，所述导电 材料占导电材料与功能填料总质量的90 %，所述导电材料为碳纳米管和碳纤维，功能填料 为二氧化钛。该导电滤膜的电导率为20000s/m，在水净化处理装置中作为正极膜。
[0053] 另一与负极连接的导电滤膜：导电材料占导电材料与辅助纤维总质量的80%，所 述导电材料为碳纳米管和碳纳米纤维，所述辅助纤维为玻璃纤维和涤纶纤维。该导电滤膜 的电导率为l〇〇〇〇 s/m。
[0054] 上述导电滤膜的制备方法，包括如下步骤：
[0055] 正极膜：将碳纳米管加热至180摄氏度，然后将沥青基碳纤维原丝通