一种掺杂碳纳米管过滤膜电极的制备方法及利用其的外电场强化抗污染装置制造方法及图纸

一种掺杂碳纳米管过滤膜电极的制备方法及利用其的外电场强化抗污染装置，本发明专利技术涉及过滤膜电极的制备方法及利用其的外电场强化抗污染装置。本发明专利技术要解决现有在过滤过程中物料会堵塞过滤型空气阴极的孔道，并形成滤饼层，生物膜的存在会影响氧气的传导，降低系统功率输出的问题。方法：一、高分子胶液的配制；二、膜电极的制备，即完成一种掺杂碳纳米管过滤膜电极的制备方法。利用掺杂碳纳米管过滤膜电极的外电场强化抗污染装置包括电极室、对电极、直流电源、掺杂碳纳米管过滤膜电极、抽滤系统、过滤室、第一盖板及第二盖板。

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂碳纳米管过滤膜电极的制备方法及利用其的外电场强化抗污染装置
本专利技术涉及过滤膜电极的制备方法及利用其的外电场强化抗污染装置。
技术介绍
随着工业化进程的加速，能源短缺的问题日益严峻，其中以水资源短缺的问题最为突出。废水中仍然存在较高浓度的有机物，是一种潜在的能源。目前，微生物燃料电池技术在废水处理领域得到了广泛应用，其能将储存在有机物中的化学能通过微生物直接催化氧化转化为电能，与传统废水处理技术相比，实现了高品质出水和能量回收。微生物燃料电池的主要组成包括阴极、阳极和离子交换膜。附着在阳极表面的微生物将底物降解，产生质子和电子，其中，电子通过外电路输送到阴极表面后，和经溶液扩散到达阴极的质子以及由扩散层到达阴极区的氧气反应，生成最终产物水并形成完整的电路回路。微生物燃料电池技术利用有机污染物产电，实现了处理污染物和回收能源的双重目的，是环境领域和能源领域的研究热点，有广阔的发展前景。电极是微生物燃料电池的核心部件，直接影响电池的处理效能和电能输出，其中，阴极性能对系统效能的提高具有重要作用，电子受体在阴极上的还原速率是决定电池功率输出的重要因素。氧气作为阴极电子受体不仅能够提供较高的阴极电势，还能够得到清洁产物。与传统的空气阴极微生物燃料电池相比，过滤式微生物燃料电池采用过滤型空气阴极，将电极的电催化作用与过滤相结合，使系统具有较好的出水水质和良好的功率输出，被认为是有潜力的水处理技术。但是，在过滤过程中物料会堵塞过滤型空气阴极的孔道，并形成滤饼层，生物膜的存在会影响氧气的传导，降低系统功率输出(37％～65％)。因此，需要提高过滤型空气阴极的抗污染性能及电极的再生能力。
技术实现思路
本专利技术要解决现有在过滤过程中物料会堵塞过滤型空气阴极的孔道，并形成滤饼层，生物膜的存在会影响氧气的传导，降低系统功率输出的问题，而提供一种掺杂碳纳米管过滤膜电极的制备方法及利用其的微生物燃料电池。一种掺杂碳纳米管过滤膜电极的制备方法是按以下步骤进行：一、高分子胶液的配制：将高分子树脂置于烘箱中，在温度为40℃～60℃的条件下，保持6h～12h，得到烘干后的高分子树脂，将烘干后的高分子树脂和成孔剂加入N,N-二甲基乙酰胺中，然后锡箔纸密封，室温下磁力搅拌8h～24h，直至溶解形成均相溶液，再将均相溶液置于暗处，静置12h～24h，得到高分子胶液；所述的烘干后的高分子树脂与成孔剂的质量比为12:(1～6)；所述的烘干后的高分子树脂与N,N-二甲基乙酰胺的质量比为12:(60～90)；二、膜电极的制备：将高分子胶液、导电活性炭粉、导电聚苯胺和碳纳米管共混，然后加入甲基吡咯烷酮，混合均匀，冷却至室温，得到导电膜液，按照导电膜液负载量为60mg/cm2～72mg/cm2，将导电膜液涂布至不锈钢网两侧，涂布均匀后，在空气中静置5s～60s，然后将涂布后的钢网置于纯水中，电极成型5min～20min，取出，得到成型电极，更换纯水，再将成型电极置于更换后的纯水中，浸泡12h～24h，得到掺杂碳纳米管过滤膜电极；所述的导电活性炭粉与步骤一中所述的烘干后的高分子树脂的质量比为(1～9):1；所述的导电活性炭粉与导电聚苯胺的质量比为100:(1～25)；所述的导电活性炭粉与碳纳米管的质量比为100:(1～20)；所述的导电聚苯胺的质量与甲基吡咯烷酮的体积比为1g:(5～30)mL。利用掺杂碳纳米管过滤膜电极的外电场强化抗污染装置包括电极室、对电极、直流电源、掺杂碳纳米管过滤膜电极、抽滤系统、过滤室、第一盖板及第二盖板；由上至下依次设置第一盖板、电极室、过滤室及第二盖板，电极室与过滤室之间设有掺杂碳纳米管过滤膜电极，对电极设置于电极室中心位置，所述的对电极与掺杂碳纳米管过滤膜电极平行且相对设置，直流电源的正极连接对电极，直流电源的负极连接掺杂碳纳米管过滤膜电极；直流电源的施加电压为0.2V～2V；所述的电极室为空气腔；所述的电极室及过滤室为立方体腔室，电极室与过滤室的底面相同；所述的抽滤系统与过滤室相连通。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一种掺杂碳纳米管过滤膜电极的制备方法及利用其的外电场强化抗污染装置。掺杂碳纳米管过滤膜电极的制备原料包括，导电活性炭粉、导电聚苯胺、碳纳米管和高分子树脂。导电活性炭粉具有良好导电性，是掺杂碳纳米管过滤膜电极的基本碳骨架。导电聚苯胺具有较高导电性且能够提高氧气传导效率，作为掺杂剂一。碳纳米管具有高导电性，能够增强掺杂碳纳米管过滤膜电极的导电性，作为掺杂剂二，且碳纳米管是一种一维纳米材料，具有优良的电子传导特性、高的热稳定性和化学稳定性，是非常适合作为空气阴极催化剂的材料。高分子树脂作为粘合剂。N,N-二甲基乙酰胺和甲基吡咯烷酮作为溶剂。本专利技术中，采用了相转化法作为掺杂碳纳米管过滤膜电极的制备方法，制备方法简单易行。过滤膜电极成型后，电极表面会存在由高分树脂形成的高分子滤层，通过改变碳纳米管的掺杂量，以调控过滤膜电极的导电性。污水中有机物质的电性以负电居多，带有负电荷的电极表面不易附着污染物，电极具有较好的抗污染性能。在外源电场的作用下，为电极提供电子，使具有高导电性的过滤膜电极表面富集负电荷，以抵抗负电性污染物，提高过滤膜电极的抗污染性能。1、本专利技术以碳纳米管作为过滤膜电极的掺杂剂，提高了过滤膜电极的过滤通量，掺杂碳纳米管过滤膜电极的纯水过滤通量(25.9Lm-2s-1MPa-1)增大，与空白过滤膜电极(19.8Lm-2s-1MPa-1)相比增大了31％。提高导电性，在-0.1V电压下，掺杂碳纳米管过滤膜电极的电流密度达到6Am-2，与空白过滤膜电极5Am-2的电流密度相比增大了20％，降低了过滤膜电极的内阻，掺杂碳纳米管过滤膜电极的电荷转移内阻为21.6Ω，与空白过滤膜电极52.5Ω的电荷转移内阻相比降低了59％。2、本专利技术中提供的掺杂碳纳米管过滤膜电极，具有优良导电性，在外源电场的作用下，具有较强抗污染能力，过滤后仍具有较高的通量恢复率、截留率及导电性，经过三次过滤后，外电场强化后的掺杂碳纳米管过滤膜电极的通量恢复率为74％，比外电场强化后的空白过滤膜电极高11％，经过三次过滤后，外电场强化后的掺杂碳纳米管过滤膜电极的截留率为76％，比外电场强化后的空白过滤膜电极(69％)高10％，经过三次过滤后，在-0.1V电压下，外电场强化后的掺杂碳纳米管过滤膜电极的电流密度达到5.6Am-2，与外电场强化后的空白过滤膜电极(4.9Am-2)相比增大了14％，经过三次过滤后，外电场强化后的掺杂碳纳米管过滤膜电极的电荷转移内阻为25.8Ω，与外电场强化后的空白过滤膜电极58.9Ω相比降低了56％。本专利技术用于一种掺杂碳纳米管过滤膜电极的制备方法及利用其的外电场强化抗污染装置。附图说明图1为本专利技术利用掺杂碳纳米管过滤膜电极的外电场强化抗污染装置；图2为电极的LSV曲线，1为实施例一制备的掺杂碳纳米管过滤膜电极，2为空白过滤电极；图3为电极的EIS曲线，1为实施例一制备的掺杂碳纳米管过滤膜电极，2为空白过滤电极；图4为电极的纯水通量，a为空白过滤电极，b为实施例一制备的掺杂碳纳米管过滤膜电极；图5为过滤后，电极的通量恢复率，a为过滤时不提供外电场的情况下，空白过滤电极过滤后的通量恢复率；b为过滤时直流电源提供1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺杂碳纳米管过滤膜电极的制备方法，其特征在于一种掺杂碳纳米管过滤膜电极的制备方法是按以下步骤进行：一、高分子胶液的配制：将高分子树脂置于烘箱中，在温度为40℃～60℃的条件下，保持6h～12h，得到烘干后的高分子树脂，将烘干后的高分子树脂和成孔剂加入N,N‑二甲基乙酰胺中，然后锡箔纸密封，室温下磁力搅拌8h～24h，直至溶解形成均相溶液，再将均相溶液置于暗处，静置12h～24h，得到高分子胶液；所述的烘干后的高分子树脂与成孔剂的质量比为12:(1～6)；所述的烘干后的高分子树脂与N,N‑二甲基乙酰胺的质量比为12:(60～90)；二、膜电极的制备：将高分子胶液、导电活性炭粉、导电聚苯胺和碳纳米管共混，然后加入甲基吡咯烷酮，混合均匀，冷却至室温，得到导电膜液，按照导电膜液负载量为60mg/cm2～72mg/cm2，将导电膜液涂布至不锈钢网两侧，涂布均匀后，在空气中静置5s～60s，然后将涂布后的钢网置于纯水中，电极成型5min～20min，取出，得到成型电极，更换纯水，再将成型电极置于更换后的纯水中，浸泡12h～24h，得到掺杂碳纳米管过滤膜电极；所述的导电活性炭粉与步骤一中所述的烘干后的高分子树脂的质量比为(1～9):1；所述的导电活性炭粉与导电聚苯胺的质量比为100:(1～25)；所述的导电活性炭粉与碳纳米管的质量比为100:(1～20)；所述的导电聚苯胺的质量与甲基吡咯烷酮的体积比为1g:(5～30)mL。...

【技术特征摘要】
1.一种掺杂碳纳米管过滤膜电极的制备方法，其特征在于一种掺杂碳纳米管过滤膜电极的制备方法是按以下步骤进行：一、高分子胶液的配制：将高分子树脂置于烘箱中，在温度为40℃～60℃的条件下，保持6h～12h，得到烘干后的高分子树脂，将烘干后的高分子树脂和成孔剂加入N,N-二甲基乙酰胺中，然后锡箔纸密封，室温下磁力搅拌8h～24h，直至溶解形成均相溶液，再将均相溶液置于暗处，静置12h～24h，得到高分子胶液；所述的烘干后的高分子树脂与成孔剂的质量比为12:(1～6)；所述的烘干后的高分子树脂与N,N-二甲基乙酰胺的质量比为12:(60～90)；二、膜电极的制备：将高分子胶液、导电活性炭粉、导电聚苯胺和碳纳米管共混，然后加入甲基吡咯烷酮，混合均匀，冷却至室温，得到导电膜液，按照导电膜液负载量为60mg/cm2～72mg/cm2，将导电膜液涂布至不锈钢网两侧，涂布均匀后，在空气中静置5s～60s，然后将涂布后的钢网置于纯水中，电极成型5min～20min，取出，得到成型电极，更换纯水，再将成型电极置于更换后的纯水中，浸泡12h～24h，得到掺杂碳纳米管过滤膜电极；所述的导电活性炭粉与步骤一中所述的烘干后的高分子树脂的质量比为(1～9):1；所述的导电活性炭粉与导电聚苯胺的质量比为100:(1～25)；所述的导电活性炭粉与碳纳米管的质量比为100:(1～20)；所述的导电聚苯胺的质量与甲基吡咯烷酮的体积比为1g:(5～30)mL。2.根据权利要求1所述的一种掺杂碳纳米管过滤膜电极的制备方法，其特征在于步骤一中所述的高分子树脂为聚氯乙烯或聚丙烯腈。3.根据权利要求2所述的一种掺杂碳纳米管过滤膜电极的制备方法，其特征在于所述的聚氯乙烯为聚氯乙烯糊状树脂，聚氯乙烯聚合度为1000～1500。4.根据权利要求1所述的一种掺杂碳纳米管过滤膜电极的制备方法，其特征在于步骤一中所述的成孔剂为聚乙烯吡咯烷酮或碳酸氢铵。5.根据权利要求1所述的一种掺杂碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯玉杰，宋向茹，刘佳，蒋晴，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23