一种生物电渗析的新型阴极修饰方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种生物电渗析的新型阴极修饰方法，属于生物电渗析领域，具体涉及一种生物电渗析中催化层添加二氧化锰的新型阴极修饰方法。
【背景技术】
[0002]生物电渗析主要是将传统的电渗析技术和生物电化学系统进行耦合而形成的一种新型的系统。
[0003]然而，输出功率低、污染物去除率不高制约着生物电渗析技术的实际应用，通过改进反应器结构、优化运行条件、改善电极材料均可以提高生物电渗析的产电性能和污染物的去除率。其中，对阴极材料的改性是提高产电性能的主要途径。
[0004]但目前生物电渗析系统的制备成本极其昂贵，如传统空气阴极是利用贵金属铂作为催化层，聚四氟乙烯(PTFE)作为扩散层以及碳布作为基体材料制备而成，其阴极催化剂及材料可占生物电渗析系统总成本的47%。非贵金属氧化物二氧化锰具有来源广泛、制备简易、价格低廉等优点，被认为是比较有应用潜力的阴极催化剂。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种廉价、高效、新型的生物电渗析阴极修饰方法。
[0006]本发明采用的技术方案如下:
[0007]—种生物电渗析的新型阴极修饰方法，是由扩散层、基体材料层、催化层三层辊压制成，其特征在于:扩散层为一定比例的聚四氟乙烯乳液与炭黑混合物，基体材料层为不锈钢网，催化层为一定比例的活性炭与二氧化锰混合物。
[0008]—种所述生物电渗析的新型阴极修饰方法，制备步骤如下:
[0009]I)剪裁不锈钢网，将不锈钢网剪裁成4*8cm的长方形，用砂纸反复打磨至不锈钢网表面光亮，然后将不锈钢网完全浸入盛装有纯水的烧杯中，再用保鲜膜封住烧杯口。
[0010]2)对于面积为4X8cm2的阴极，称取一定量的炭黑到烧杯中，加入约30mL无水乙醇，轻轻摇晃使混合粉末完全浸没在无水乙醇中，超声处理30分钟。称取质量浓度为60%的聚四氟乙烯乳液与炭黑的比例为7: 3，逐滴加入到混合液中，再超声震荡30min，将混合液放到80°C的水浴中使乙醇蒸发，边加热边搅拌至混合液形成面粉团状为止，将扩散层炭黑粉团反复辊压成多片厚度为0-0.45mm的薄片，从而得到扩散层。
[0011 ] 3)对于面积为4 X Scm2的阴极，称取一定比例的活性炭与二氧化锰到烧杯中，加入约30mL无水乙醇，轻轻摇晃使混合粉末完全浸没在无水乙醇中，超声震荡30min。称取质量浓度为60%的聚四氟乙烯乳液与活性炭的比例为1: 6，逐滴加入到混合液中，再超声震荡30min，将混合液放到80°C的水浴中使乙醇蒸发，边加热边搅拌至混合液形成面粉团状为止，将催化层的厚度滚压成0-0.45mm的薄片，从而得到催化层。
[0012]4)将钢网从浸泡的纯水中拿出并吹干，反复滚压扩散层，至酒精含量适当后将扩散层滚压到钢网上，滚压至表面光亮，再将滚压好的扩散层的钢网用铝箔包好，在370摄氏度的马弗炉中烧制30min取出，待其恢复至室温，最后将扩散层滚压上去，滚压至表面平整即可制得新型修饰阴极。
[0013]本发明的优点是:(I)该新型阴极修饰工艺在催化层中添加了一定比例的二氧化锰，经二氧化锰修饰后电极的欧姆内阻和电荷转移内阻明显降低，阴极的电化学活性增强，催化效果更为明显。(2)非贵金属氧化物二氧化锰具有来源广泛、制备简易、价格低廉等优点，可适用于大规模的规范化生产。
【附图说明】
[0014]附图1是实施例1-5得到的新型修饰阴极的线性扫描伏安曲线图。
[0015]附图2是实施例1-4得到的新型修饰阴极碱室pH对比示意图。
【具体实施方式】
[0016]一种生物电渗析的新型阴极修饰方法，从空气侧至电解液侧是由扩散层、基体材料层、催化层三层辊压制成。
[0017]实施例1:
[0018]—种所述生物电渗析的新型阴极修饰的制备方法，步骤如下:
[0019]I)剪裁不锈钢网，将不锈钢网剪裁成4*8cm的长方形；
[0020]2)用砂纸反复打磨至不锈钢网表面光亮；
[0021]3)打磨完后，将不锈钢网完全浸入纯水中；
[0022]4)用保鲜膜封住烧杯口 ；
[0023]5)称量炭黑约1200mg于10ml烧杯，加入少量无水乙醇将炭黑淹没；
[0024]6)在250ml的烧杯中装入适量水，再将装炭黑的烧杯置于250ml的烧杯中，大烧杯的液面高过小烧杯底部3cm左右；
[0025]7)将7个250ml的烧杯置于超声波清洗仪中震荡30min ;
[0026]8)用分析天平分别称量PTFE 2800mg于小塑料试管中；
[0027]9)震荡30min后，用一次性滴管吸取2800mgPTFE于盛炭黑的烧杯中，并用无水乙醇清洗小塑料试管2-3次；
[0028]10)再次将烧杯置于超声波清洗仪中震荡30min ;
[0029]11)打开水浴锅，调至80度；
[0030]12)震荡30min后，将小烧杯拿出，用无水乙醇将壁上的炭黑冲下去，然后去水浴锅加热，边加热边搅拌，至炭黑呈面团状；
[0031]13)用保鲜膜包起来，并做好标记，写好时间；
[0032]14)称量活性炭、二氧化锰总质量2g (按二氧化锰质量比10%称量)于10ml烧杯，加入少量无水乙醇将其淹没；
[0033]15)在250ml的烧杯中装入适量水，再将装活性炭的烧杯置于250ml的烧杯中，大烧杯的液面高过小烧杯底部3cm左右；
[0034]16)将7个250ml的烧杯置于超声波清洗仪中震荡30min ;
[0035]17)用分析天平分别称量PTFE 333.3mg于小塑料试管中；
[0036]18)震荡30min后，用一次性滴管吸取333.3mgPTFE于盛活性炭、二氧化锰混合物的烧杯中，并用无水乙醇清洗小塑料试管2-3次；
[0037]19)再次将烧杯置于超声波清洗仪中震荡30min ;
[0038]20)打开水浴锅，调至80度；
[0039]21)震荡30min后，将小烧杯拿出，用无水乙醇将壁上的活性炭冲下去，然后去水浴锅加热，边加热边搅拌，至活性炭呈面团状；
[0040]22)用保鲜膜包起来，并做好标记，写好时间；
[0041]23)将钢网从浸泡的纯水中拿出并吹干；
[0042]24)反复滚压扩散层，至酒精含量适当后将扩散层滚压到钢网上，滚压至表面光壳;
[0043]25)将滚压好的扩散层的钢网用铝箔包好，在370摄氏度的马弗炉中烧制30min ；
[0044]26)取出，待其恢复至室温，将扩散层滚压上去，滚压至表面平整即可制得新型修饰阴极。
[0045]该新型修饰阴极应用时可根据生物电渗析系统结构尺寸剪裁即可。
[0046]该实施例1制得的新型修饰阴极，可以保证制作的每一批电极的组分、厚度和内部结构均相同，也可根据需求改变其中的某一个参数进行而保证其它参数不变。
[0047]实施例2:
[0048]—种所述生物电渗析的新型阴极修饰的制备方法，该实施例制备步骤与实施例1基本相同，不同之处是在制备催化层步骤14)中，称量活性炭、二氧化锰总质量2g(按二氧化猛质量比20%称量)，即称量二氧化猛0.4g。
[0049]实施例3:
[0050]一种所述生物电渗析的新型阴极修饰的制备方法，该实施例制备步骤与实施例1基本相同，不同之处是在制备催化层步骤14)中，称量活性炭、二氧化锰总质量2g(按二氧化猛质量比30%称量)，即称量二氧化猛0.6g。
[0051]实施例4:
[0052]—种所述生物电渗析的新型阴极修饰的制备方法，该实施例制备步骤与实施例1基本相同，不同之处是在制备催化层步骤14)中，称量活性炭、二氧化锰总质量2g(按二氧化猛质量比40%称量)，即称量二氧化猛0.8g。
[0053]实施例5:
[0054]—种所述生物电渗析的新型阴极修饰的制备方法，该实施例制备步骤与实施例1基本相同，不同之处是在制备催化层步骤14)中，称量活性炭、二氧化锰总质量2g(按二氧化猛质量比50%称量)，即称量二氧化猛1.0g。
[0055]采用LSV线性扫描伏安曲线方法测试例1-5新型修饰阴极电化学性能，扫描速率为lmV/s，灵敏度设为10 3O
[0056]根据扫描结果验证，相较于现有技术，利用本发明制备的新型修饰阴极效果显著提升，当催化层中二氧化锰质量比为30%时，可达到最大电流密度为50-60mA/m2，表明阴极性能最好。
【主权项】
1.一种生物电渗析的新型阴极修饰方法，是由扩散层、基体材料层、催化层三层辊压制成，其特征在于:扩散层为一定比例的聚四氟乙烯乳液与炭黑混合物，基体材料层为不锈钢网，催化层为一定比例的活性炭与二氧化锰混合物。2.一种如权利要求1所述生物电渗析的新型阴极修饰方法，其特征在于制备步骤如下: 1)剪裁不锈钢网，将不锈钢网剪裁成4*8cm的长方形，用砂纸反复打磨至不锈钢网表面光亮，然后将不锈钢网完全浸入盛装有纯水的烧杯中，再用保鲜膜封住烧杯口。 2)对于面积为4X8cm2的阴极，称取一定量的炭黑到烧杯中，加入约30mL无水乙醇，轻轻摇晃使混合粉末完全浸没在无水乙醇中，超声处理30分钟。称取质量浓度为60%的聚四氟乙烯乳液与炭黑的比例为7: 3，逐滴加入到混合液中，再超声震荡30min，将混合液放到80°C的水浴中使乙醇蒸发，边加热边搅拌至混合液形成面粉团状为止，将扩散层炭黑粉团反复辊压成多片厚度为0-0.45mm的薄片，从而得到扩散层。 3)对于面积为4X8cm2的阴极，称取一定比例的活性炭与二氧化锰到烧杯中，加入约30mL无水乙醇，轻轻摇晃使混合粉末完全浸没在无水乙醇中，超声震荡30min。称取质量浓度为60%的聚四氟乙烯乳液与活性炭的比例为1: 6，逐滴加入到混合液中，再超声震荡30min，将混合液放到80°C的水浴中使乙醇蒸发，边加热边搅拌至混合液形成面粉团状为止，将催化层的厚度滚压成0-0.45mm的薄片，从而得到催化层。 4)将钢网从浸泡的纯水中拿出并吹干，反复滚压扩散层，至酒精含量适当后将扩散层滚压到钢网上，滚压至表面光亮，再将滚压好的扩散层的钢网用铝箔包好，在370摄氏度的马弗炉中烧制30min取出，待其恢复至室温，最后将扩散层滚压上去，滚压至表面平整即可制得新型修饰阴极。3.根据权利要求2所述生物电渗析新型阴极修饰方法，其特征在于:所述催化层活性炭与二氧化锰混合物中二氧化锰的质量比为10% -50%，pH范围为9.8-12.0。4.根据权利要求2所述生物电渗析新型阴极修饰方法，其特征在于:所述催化层中二氧化锰质量比为30%时，，可达到最大电流密度为50-60mA/m2，阴极性能最好。
【专利摘要】本发明属于生物电渗析领域，旨在提供一种生物电渗析的新型阴极修饰方法。该方法所述的新型阴极修饰是通过在催化层中添加一定比例的二氧化锰，从空气侧至电解液侧分别由扩散层、基体材料层、催化层三层辊压制成，通过该方法修饰的新型阴极用于生物电化学系统，具有性能好、电流密度高、产碱量高等优点。
【IPC分类】C25B11/04
【公开号】CN105040026
【申请号】CN201510456140
【发明人】刘广立, 杨昆鹏, 黄越, 詹雨雨, 骆海萍, 张仁铎
【申请人】中山大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年7月24日