一种去除氯离子的装置、制备方法及应用

1.本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种去除氯离子的装置、制备方法及应用。


背景技术：

2.氯离子引起的钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土耐久性不良的重要因素之一，针对氯离子入侵导致的钢筋锈蚀问题，传统的方式以修补为主，随着服役时间的增长，氯离子侵蚀严重，电化学除氯作为一种无损的除氯手段通过在外加阳极和钢筋之间施加电压来达到去除氯离子并使钢筋重新钝化的目的，是一种针对已被氯离子侵入的既有钢筋混凝土结构耐久性修复方法。传统电化学方法需要将混凝土及电极浸泡在水中才能进行，但对于大部分建筑难以达到此条件。使用砷化镓-氮化硼制备的阳电极，具有超强的导电性，且表面涂覆的薄膜能够阻隔电解液中的杂质侵入，可以在电解液中提供良好的导电性能，而且可以重复使用具有广阔的发展前景。


技术实现要素：

3.发明目的：为解决上述问题，本发明提出一种去除氯离子的装置、制备方法及应用。本发明利用砷化镓-氮化硼制备的阳电极可有效提高混凝土中氯离子的去除能力。
4.技术方案：本发明所述的一种去除氯离子的装置，包括反应池、设置在反应腔外周的池壁、设置在反应池中的电极结构，所述电极结构包括阳电极、与阳电极连接的电源装置与所述电源装置的负极连接的阴电极；所述池壁为中空结构，所述池壁内的腔体通入循环冷却水用于池壁冷却；所述阳电极的材料通过以下方法制备：(a)砷化镓以及氮化硼在管式炉高温500-1000℃中加热2-5小时，得到原位聚合的砷化镓-氮化硼电极；(b)将苯胺溶解于盐酸中，在温度为20-40℃持续搅拌2-10小时，搅拌过程中逐滴加入过硫酸铵，得到的聚苯胺产物用蒸馏水洗涤过滤；(c)将步骤(b)得到的聚苯胺与环氧树脂放入行星式球磨机球磨，得到的产物熟化后涂覆于制备好的砷化镓-氮化硼电极表面，得到阳电极。
5.作为本发明的一种优选结构，循环冷却水通过冷却水循环驱动装置完成水循环。
6.作为本发明的一种优选实施方式，步骤(a)中，所述的砷化镓以及氮化硼的质量比为1-2：1。
7.作为本发明的一种优选实施方式，步骤(s1)得到的产物在10-20小时内冷却至200-600℃，随后自然冷却至室温。
8.作为本发明的一种优选实施方式，步骤(b)中，将0.1-1.0mol的苯胺溶解于100-200ml浓度为0.5-1.0mol/l的盐酸中；所述的过硫酸铵的加入量为在搅拌过程中逐滴加入0.05-2.0mol/l过硫酸铵的水溶液100-200ml。
9.作为本发明的一种优选实施方式，步骤(c)中，所述的环氧树脂与聚苯胺质量比为5：1-15：1。
10.作为本发明的一种优选实施方式，步骤(c)中，得到的阳电极放置于室温8-15小
时，随后放入真空干燥箱在50-100℃干燥4-10小时。
11.本发明所述的一种阳电极的制备方法，包括以下步骤：
12.(s1)：将砷化镓以及氮化硼以质量比为1-2：1混合，在管式炉高温500-1000℃中加热2-5小时，高温处理后，在10-20小时内冷却至200-600℃，随后自然冷却至室温；
13.(s2)：将0.1-1.0mol的苯胺溶解于100-200ml浓度为0.5-1.0mol/l的盐酸中，在温度为20-40℃，持续搅拌2-10小时，搅拌过程中逐滴加入0.05-2.0mol/l过硫酸铵的水溶液100-200ml，过滤产物，并用蒸馏水洗涤至无色；
14.(s3)：将环氧树脂与步骤(s2)得到的聚苯胺按照质量比为5：1-15：1混合，放入行星式球磨机球磨4-10小时，将球磨后的产物按照质量比为1.3-2：1溶解在聚酰胺固化剂中，熟化后浸涂于制备好的砷化镓-氮化硼电极表面，浸涂时间2-10min，涂覆的厚度为0.01-0.05mm；
15.(s4)：将步骤(s3)中得到的电极放置于室温8-15小时，随后放入真空干燥箱在50-100℃干燥4-10小时，得到阳电极。
16.本发明进一步提供了上述的制备方法制备的阳电极。
17.作为本发明的一种优选实施方式，所述的环氧树脂为脂肪族环氧树脂zh68-01。
18.作为本发明的一种优选实施方式，所述的聚酰胺固化剂规格为聚酰胺固化剂651。
19.本发明还提供了上述的阳电极在去除混凝土氯离子中的应用。
20.有益效果：(1)本发明利用砷化镓-氮化硼制备的阳电极原料来源广泛，其制备过程简单无毒；(2)本发明通过砷化镓-氮化硼制备的阳电极成本低廉、使用方便、可直接加入电解液中进行长时间测量，有效提高了混凝土中氯离子去除能力，进而提高了钢筋混凝土结构的使用寿命。
附图说明
21.图1为电化学测试装置；
22.图2为在测试环境饱和氢氧化钙时测试样品1、测试样品2和对照组的钢筋混凝土钟氯离子去除量。
具体实施方式
23.一、样品制备
24.实施例1：利用砷化镓-氮化硼制备
25.s1：将砷化镓以及氮化硼按质量比为1.5：1混合，将得到的混合物在600℃高温真空热处理炉里处理4h，进行原位聚合；
26.s2：将步骤s1得到的产物在18小时内冷却至560℃，随后自然冷却至室温；
27.s4：将0.1mol的苯胺溶解于150ml浓度为1.0mol/l盐酸溶液中，在温度为25℃的条件下，持续搅拌8小时进行反应，搅拌过程中逐滴加入0.1mol/l过硫酸铵水溶液150ml，得到的产物用蒸馏水洗涤过滤；
28.s5：将脂肪族环氧树脂zh68-01与s4中产物按照质量比为10：1混合，放入行星式球磨机球磨6小时，将球磨后的产物溶解在聚酰胺固化剂651中(产物与固化剂的质量比2：1)，熟化后浸涂覆于步骤s2中制备好的砷化镓-氮化硼电极表面，浸涂时间为5min，涂覆厚度为
0.01mm。
29.s6：将步骤s5得到的阳电极放置于室温10小时，随后放入真空干燥箱在60℃干燥8小时。
30.二、样品性能测试
31.将上述方法制得的利用砷化镓-氮化硼制备的阳电极网，直径为100mm，高80mm网格大小为25mm2与常用电极(石墨电极；铂电极)(直径为100mm，高80mm，网格大小为25mm2)测试样品1、对照组1(铂电极)、对照组2(石墨电极)进行对比，放入电化学电解池中去除混凝土中氯离子，对测试样品1、对照组1和对照组2进行电化学测试，进而对制备的新型阳电极对混凝土中氯离子的去除性能进行评价，测试流程如下：
32.a、制备测试样品1
33.将φ100mm的hpb235的短钢筋棒浇筑于直径为80mm的混凝土圆柱体中，露出20mm，在钢筋上用环氧树脂ab胶沾上导线，并用热缩管包覆。然后将钢筋混凝土试块养护28天。28天后将钢筋混凝土圆柱上下表面用环氧树脂ab胶密封。配制饱和氢氧化钙溶液用作电解液放入电解池中，将上述方法制备好的新型阳电极网套在钢筋混凝土外面，制得测试样品1，并进行电化学法去除氯离子性能测试。
34.b、制备对照组1
35.将φ100mm的hpb235的短钢筋棒浇筑于直径为80mm的混凝土圆柱体中，露出20mm，在钢筋上用环氧树脂ab胶沾上导线，并用热缩管包覆。然后将钢筋混凝土试块养护28天。28天后将钢筋混凝土圆柱上下表面用环氧树脂ab胶密封。配制饱和氢氧化钙溶液用作电解液放入电解池中，将铂电极网套在钢筋混凝土外面，制得对照组1，并进行电化学法去除氯离子性能测试。
36.c、制备对照组2
37.将φ100mm的hpb235的短钢筋棒浇筑于直径为80mm的混凝土圆柱体中，露出20mm，在钢筋上用环氧树脂ab胶沾上导线，并用热缩管包覆。然后将钢筋混凝土试块养护28天。28天后将钢筋混凝土圆柱上下表面用环氧树脂ab胶密封。配制饱和氢氧化钙溶液用作电解液放入电解池中，将石墨电极网套在钢筋混凝土外面，制得对照组2，同样进行电化学法去除氯离子性能测试。
38.采用直流电电化学法进行混凝土中氯离子去除实验。对测试样品1、对照组1和对照组2的氯离子释放量进行测试，进而对新型阳电极网对钢筋混凝土的氯离子释放量性能进行评价，具体试验条件如下：
39.(1)钢筋混凝土作为阴极，电极网作为阳极，在电解质饱和氢氧化钙中进行电化学除氯，装置如下图。
40.装置如图1。图1中反应池1充满电解液(饱和氢氧化钙)，反应池的池壁2为中空结构，池壁2的腔体内为冷却水循环装置中的冷却水，阳极网3与电源装置4(电化学电源)的正极连接阴极5为钢筋混凝土中的钢筋，冷却水循环驱动装置6与池壁2的腔体连通，实现整个冷却水的循环，完成池壁的降温，对反应池1进行降温。
41.(2)测试时间为6小时，前面两小时间隔20min取液，中间两小时间隔半小时取液，最后两小时间隔1小时取液，对提取液进行氯离子含量测试，利用硝酸银滴定法进行氯离子含量测定，每次取三次。测试结果如图2。
42.图2中三条曲线分别代表测试样品1、对照组1和对照组2的氯离子随电化学测试时间的释放量图，释放量越大，说明电极效果越好。如图2所示。图2显示了在6小时内不同电极下电化学除氯处理期间释放的氯化物浓度的趋势图。一般来说，从数据上看，砷化镓-氮化硼电极时有利于促进氯化物释放过程。体现在两方面，一方面，砷化镓-氮化硼电极影响氯离子释放的平衡，一方面，砷化镓-氮化硼电极影响氯离子释放的速率。从图2中可以发现，测试样品1，对照组1和对照组2，达到平衡的时间分别约为330min、300min和240min。为了更好地说明，将进化曲线分为三个阶段，即快速释放期、缓慢释放期和平衡期。对于砷化镓-氮化硼电极，快速释放期比对照组1和对照组2快，且到达平衡期的时间短。