一种碳基吸附电极的制备方法及一种三电极电絮凝系统

1.本技术涉及电化学技术领域，尤其涉及一种碳基吸附电极的制备方法及一种三电极电絮凝系统。


背景技术：

2.近年来，随着工业和农业的发展，环境问题愈发严重。污水中磷过度排放导致水体富营养化，同时磷是一种不可再生资源，实现有效磷回收符合可持续发展的理念，因此探索高效捕获回收污水中磷的技术势在必行。
3.目前对磷的去除手段主要包括：吸附法、化学沉淀法和生物法。吸附法是指用比表面积大和孔隙率高的一些材料来除磷，成本高除磷效率低；化学沉淀法是指通过添加化学试剂使其与磷酸盐沉淀来除磷，化学除磷效果受化学试剂种类、投加量、温度和污泥浓度等多种因素影响，对于除磷有一定局限性和复杂程度；生物法是利用细菌在厌氧和好氧交替条件下，诱导激发细胞将其内体聚合磷累积并释放出磷酸根和键能，再经一系列转化降低污水中的磷含量，由于该方法繁冗复杂，提取的磷不稳定，所以多用于磷的预处理阶段。
4.相比于传统化学法、生物法和吸附法，电絮凝技术同时具有化学混凝和电化学方法的优点，并且操作简便，污染物去除率高，不需要添加额外的化学物质。电絮凝技术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。
5.可是，电絮凝技术中常用的电极有活性炭、碳纳米管、石墨烯和石墨烯复合材料等纳米材料的制造通常会导致成本高和严重的二次污染等问题，此外，由于电絮凝技术具有的需求高电能消耗的特点，成为了限制该技术广泛地使用和推广的重要原因。


技术实现要素：

6.本技术提供了一种碳基吸附电极的制备方法及一种三电极电絮凝系统，能够解决现有的电絮凝技术中所使用的电极具有成本高和导致二次污染的问题以及现有的电絮凝技术需求高电能消耗的问题。
7.本技术的第一个技术方案是一种碳基吸附电极的制备方法，用于制备具有离子迁移能力和吸附功能的电极，包括下述步骤：
8.取废弃生物质粉末并且加入造孔剂和水进行均匀混合，然后揉捏至形成团状材料；
9.放置所述团状材料至烘箱中以预设温度烘干，然后取出团状材料继续揉捏排气并且将揉捏排气过的团状材料进行切割，得到碳基前躯体；
10.放置所述碳基前驱体至真空管式炉中，以预设升温速率加热至900℃，然后保温2h，得到碳基吸附电极。
11.可选地，所述废弃生物质粉末为废弃小麦粉或者废弃玉米粉；
12.以及，所述造孔剂可为酵母粉、小苏打、碳酸镁或者碳酸钙。
13.可选地，所述预设温度为30-40℃。
14.可选地，所述预设升温速率为5-10℃/min。
15.本技术的第二个技术方案是一种三电极电絮凝系统，包括：
16.由若干块第一绝缘板状材料围合并通过第二绝缘杆状材料连接成的反应器和设置在所述反应器内的三个电极槽，以及设置形状均为板状并且分别依序设置在三个所述电极槽中的碳基吸附电极、牺牲阳极和惰性金属板。
17.可选地，所述第一绝缘板状材料可为由聚甲基丙烯酸甲酯制得的平板；
18.以及，所述第二绝缘杆状材料可为由过聚四氟乙烯制得的螺杆。
19.可选地，所述牺牲阳极为网状。
20.可选地，所述牺牲阳极处设置沉淀区。
21.可选地，所述牺牲阳极与惰性金属板之间的设置距离为1.5-3.5cm。
22.可选地，与所述牺牲阳极配合使用的电极槽开设有供所述牺牲阳极插入和抽出的插入槽；
23.当所述牺牲阳极插入所述插入槽时，所述牺牲阳极与碳基吸附电极之间的电极间距为0.5cm。
24.综上可知，本技术首先提供了一种碳基吸附电极的制备方法，用于制备具备离子迁移能力和吸附功能的电极，相比于现有技术，本技术制得的碳基吸附电极具有以下优点：
25.(1)具有吸附作用，以及通过正负极的改变使其具有离子迁移的能力，更适合用于电絮凝工艺，能够快速的治理水体污染；
26.(2)具有优良导电性和良好吸附能力对受污染水体中的粒子的吸附能力极强并且不会造成二次污染；
27.(3)具备独特的三维立体结构，微粒孔径大、比表面积大、分布均匀以及结构稳定，具有总电容量高和物理强度大并且改进空间大、结合能力强以及使用寿命长的特点；
28.(4)碳基吸附电极的制备过程可以根据实际需要使用粘结剂、导电添加剂和集流体，制备工艺简单，可以明显降低治理水体污染的成本。
29.本技术还提供了一种三电极电絮凝系统，相比于现有技术，本技术的三电极电絮凝系统具有以下优点：
30.(5)反应器由第一绝缘板状材料如聚甲基丙烯酸甲酯等高密度聚合物的板状材料围合并通过第二绝缘杆状材料如过聚四氟乙烯螺杆的连接材料构成，避免使用金属连接材料导致的不必要电能消耗和安全隐患；
31.(6)具有模块化可堆栈式的结构，以及插入式电极槽的设计，能够满足电极的可替换需求，同时避免了牺牲阳极材料的过度消耗；
32.(7)沉淀区域的设置方便过往中因电絮凝过程中生成的絮状沉淀的及时排出同时减少对电絮凝工艺处理效能的消极影响；
33.(8)可通过构型的设计、运行参数的调控以及电极材料的选择，大大缩短的处理时间，提升处理效率，以更低的电能消耗、电极材料损耗和更高的处理效率回收低浓度磷酸盐污水中的目标离子。
附图说明
34.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为本技术实施例中一种碳基吸附电极的制备方法的流程示意图；
36.图2为本技术实施例中一种碳基吸附电极的制备方法的物质流转图；
37.图3为本技术实施例中一种三电极电絮凝系统的结构示意图；
38.图4为本技术实施例中一种三电极电絮凝系统的工作原理图；
39.其中，1-电极槽；11-橡胶垫片；2-碳基吸附电极；3-牺牲阳极；4-惰性金属板；5-沉淀区。
具体实施方式
40.下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的系统和方法的示例。
41.第一方面，本技术提供了一种碳基吸附电极的制备方法，用于制备具备离子迁移吸附功能的电极，如图1和图2所示，图1为本技术实施例中一种碳基吸附电极的制备方法的流程示意图，图2为本技术实施例中一种碳基吸附电极的制备方法的物质流转图，图2中从左侧至右侧的四个图示分别为废弃生物质粉末、碳基前驱体、真空管式炉和碳基吸附电极2，碳基吸附电极2的制备方法包括下述步骤：
42.s1：取废弃生物质粉末并且加入造孔剂和水进行均匀混合，然后揉捏至形成团状材料。
43.具体地，废弃生物质粉末可为废弃小麦粉或者废弃玉米粉，造孔剂可为酵母粉、小苏打、碳酸镁或者碳酸钙。在一些实施例中，应用的废弃生物质粉末为废弃小麦粉，质量为400g，应用的造孔剂为酵母粉，质量为4g，应用的水的体积为250ml。
44.s2：放置所述团状材料至烘箱中以预设温度烘干，然后取出团状材料继续揉捏排气并且将揉捏排气过的团状材料进行切割，得到碳基前躯体。
45.具体地，预设温度可为30-40℃。
46.s3：放置所述碳基前驱体至真空管式炉中，以预设升温速率加热至900℃，然后保温2h，得到碳基吸附电极2。
47.具体地，预设升温速率为5-10℃/min并且可从室温开始升温。
48.综上可知，本技术实施例制得的碳基吸附电极2具备独特的三维立体结构，具有离子迁移和吸附功能，具有优良导电性，比表面积大并且比表面积可以为700-1000m2/g，分布更加均匀以及结构更加稳定，以及具有总电容量高和物理强度大、改进空间大、结合能力强和使用寿命长的特点。
49.在实际应用中，可以通过在三电极电絮凝系统中以正极与惰性金属板连接，负极与碳基吸附电极2连接进入迁移吸附阶段；之后将负极与碳基吸附电极2的连接断开并连接至惰性金属板4处，正极与牺牲阳极3连接进入电絮凝阶段。通过使迁移吸附阶段吸附的目
标离子与牺牲阳极3释放的金属离子结合，提高牺牲阳极3材料的利用效率，减少材料和电能消耗。
50.碳基吸附电极2的制备过程可以根据实际需要使用粘结剂、导电添加剂和集流体，制备工艺简单，可以明显降低治理水体污染的成本。尤其制得的电极能够快速的治理水体污染，对受污染水体中的粒子的吸附能力极强并且不会造成二次污染，因此更适合于电絮凝工艺。
51.第二方面，本技术还提供了一种三电极电絮凝系统，用于解决低浓度磷酸盐污水中磷元素难以去除的问题，如图3所示，图3为本技术实施例中一种三电极电絮凝系统的结构示意图，图3中左侧为若干电极槽1与碳基吸附电极2、牺牲阳极3和惰性金属板4的连接示意图，图3中右侧为牺牲阳极3与橡胶垫片11的连接示意图，系统包括：由若干块第一绝缘板状材料如聚甲基丙烯酸甲酯的板状材料围合并通过第二绝缘杆状材料如聚四氟乙烯螺杆连接成的反应器和设置在反应器内的至少三个电极槽1，以及设置形状均为板状并且分别依序设置在三个电极槽1中的碳基吸附电极2、牺牲阳极3和惰性金属板4。
52.具体地，反应器由第一绝缘板状材料如聚甲基丙烯酸甲酯等高密度聚合物的板状材料围合并通过第二绝缘杆状材料如过聚四氟乙烯螺杆的连接材料构成，避免使用金属连接材料导致的不必要电能消耗和安全隐患；电极槽1在分别与碳基吸附电极2、牺牲阳极3和惰性金属板4连接处设置有橡胶垫片11。在一些实施例中，牺牲阳极3为网状。
53.在一些实施例中，围合成反应器的聚甲基丙烯酸甲酯板的设置尺寸为0.5cm
×
5cm
×
8cm。另外，与牺牲阳极3配合使用的电极槽1的聚甲基丙烯酸甲酯板的设置尺寸为0.5cm
×
3cm
×
6cm。以及，与惰性金属板4配合使用的电极槽1的聚甲基丙烯酸甲酯板的设置尺寸为0.1cm
×
3cm
×
7cm。
54.设置有牺牲阳极3的电极槽1为牺牲阳极3插槽并且开设有有供牺牲阳极3插入和抽出的插入槽，以及在牺牲阳极3插入至插入槽的状态下牺牲阳极3的底端形成有沉淀区5。以及，牺牲阳极3与惰性金属板之间的设置距离为1.5-3.5cm，牺牲阳极3与碳基吸附电极2间的距离为0.5cm。适宜的电极间距更利于电子的传输，提升处理效率，降低能耗。
55.具体地，将牺牲阳极3设置为可插入和抽出的形式，目的是为了方便牺牲阳极3的更换。沉淀区5的设置避免了牺牲阳极3材料的过度消耗的问题。
56.工作原理：如图4所示，图4为本技术实施例中一种三电极电絮凝系统的工作原理图，与传统的电絮凝技术的处理机制不同，本技术实施例首先将碳基吸附电极2和惰性金属板4分别使用恒电位仪连接，恒电位仪的负极与碳基吸附电极2连接，恒电位仪的正极与惰性金属板4连接，此时溶液中阴离子将定向移动至碳基吸附电极2处，碳基吸附电极2会对阴离子进行富集。
57.然后将连接碳基吸附电极2的导线断开连接至惰性金属板4处，再将正极连接至牺牲阳极3处，牺牲阳极3处会有铁离子析出，析出的铁离子会与碳基吸附电极2处富集以及脱附释放的阴离子结合形成沉淀，使之进入电絮凝的工作模式。通过改变正负极的连接，使电场的方向发生反转，调节液相中目标离子的移动方向，使带电离子在局部液相中产生浓度梯度差的同时吸附在碳基吸附电极2上，通过调整电极间距，尽可能地使目标离子在牺牲阳极3附近被富集，在进入电絮凝的工作模式后恒电位仪的负极与惰性金属板4，恒电位仪的正极与牺牲阳极3连接，此时碳基吸附电极2脱附目标离子的同时与牺牲阳极3释放的金属
离子结合，并在牺牲阳极3附近形成絮凝沉淀。
58.试验证明，本技术制备的碳基吸附电极2具有良好的导电性、总电容量高和比表面积大的特点，其中，比表面积可以为700-1000m2/g，并且具有离子迁移和吸附的能力；本技术实施例提供的三电极电絮凝系统有高效能回收污水中低浓度磷的能力，同时所需的电能和物料消耗更少。在1-2.5mg/l的磷酸盐溶液中，在200s的总处理时间(其中包含100s迁移吸附阶段和100s的电絮凝阶段)后的磷酸盐出水浓度最低可达到≤
59.0.12
±
0.03mg/l，去除率最高达90％，然而所需能耗仅为0.004-0.006kwh/m3，相比传统电絮凝技术所需电能消耗可降低30-40％，此外，含磷污水经处理后，会在反应器底部形成大量磷絮凝沉淀，便于回收利用。
60.综上可知，本技术实施例提供的碳基吸附电极2材料具有制备方式简单、比表面积大和良好的导电能力、物理强度大，且改进空间大、结合能力强以及使用寿命长等特点，并且具备离子迁移和吸附能力。本技术实施例提供的三电极电絮凝系统通过系统构型的设计、运行参数的调控和电极材料的选择，大大缩短了低浓度磷酸盐回收的处理时间，提升了处理效率，以更低的电能消耗和物料损耗，获得高效能回收低浓度含磷污水中的磷元素，有效地解决了磷资源短缺的问题。
61.以上对本技术的实施例进行了详细说明，但内容仅为本技术的较佳实施例，不能被认为用于限定本技术的实施范围。凡依本技术范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本技术的专利涵盖范围之内。