一种水泥基复合材料、深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于建筑材料及制品与有机废水处理技术领域，具体涉及一种水泥基复合材料、深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的装置，所述复合材料按重量份数计，包括：氧化镁80～120份，硫酸镁35～45份，碳纤维2～4份，石墨18～28份，硅粉10～15份，水100～130份，分散剂0.8～1.7份，改性剂0.5～2.0份，消泡剂4～9份。本发明专利技术所制的纤维‑硫氧镁水泥基复合材料综合了硅酸盐水泥与碳纤维‑硫氧镁水泥的特性，具有高强度、低电阻、耐腐蚀、耐高温、轻质、早强、吸水率低、电热转化效率高的特点；因其稳定的发热性能，不仅可达到对微生物燃料电池外部池体的供热目的，还可利用于给建筑或构筑物供热及融雪化冰等。

【技术实现步骤摘要】
一种水泥基复合材料、深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的装置
本专利技术属于建筑材料及制品与有机废水处理
，具体涉及一种水泥基复合材料、深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的装置。
技术介绍
随着社会经济的快速发展，化石燃料的大规模使用加剧了能源危机，因此，迫切需要寻求一种新的可再生能源，若能源再生再利用的同时进行污染治理，则对人类发展意义重大。目前有机物污水处理维护管理复杂，运行成本高，占地面积大，对周边环境影响较大。微生物燃料电池可实现废水处理和能源回收的理想模式，备受人们关注。在较高纬度的地区，冬季不仅需要取暖，且室外活动场所、人行街道、城市道路、高速公路及立交桥的积雪结冰往往会对出行、交通及运输产生不利的影响，干扰正常生活的同时，也产生了严重的交通安全隐患。在建筑物内通常安装取暖装置来保证达到适宜的温度，但能耗高，施工复杂。室外清理积雪结冰，通常是采用人工或者机械的物理除冰法，耗时费力，不仅效率较低且清除不彻底，此外还有化学除冰法，比如向道路喷洒融雪剂融化积雪，但这些融雪剂对基础设施具有腐蚀性，在雪融化后往往会随着雪水渗入土壤，对环境及植物造成影响。硫酸镁、氧化镁和水制成的硫氧镁胶凝材料，克服传统镁制胶凝材料吸潮返卤、腐蚀钢筋等缺点。我国菱镁矿资源丰富并且储量相对集中，镁资源充足为镁水泥的生产制备提供了极为有利的条件。镁水泥及其制品煅烧能耗低、粉磨能耗低且不需要其他能耗工艺步骤，具有轻质、环保、节能、易回收等特性。因此，改善镁水泥及其制品的性能，扩大其在建筑工程中的应用既符合节能环保的需要，也是经济可持续发展的重要手段之一。目前导电混凝土的研究尚未成熟，通过掺加金属纤维、碳纤维及炭黑、石墨等材料提高水泥基材料的导电率。国内学者以石墨替代碳纤维拉高导电性，较小掺量下电导率无法达到期望值，但增大石墨掺量导致材料力学性能下降严重。硫氧镁水泥作导电水泥基材料的研究主要集中在水泥强度性能，而掺加导电介质后的复合材料电热效应在国内外研究都比较少。专利文献《导电水泥基符合材料及其制备方法和应用》(CN105067164A)公开了一种基于碳纳米管及纳米炭黑制备的导电水泥基材料，该材料静态电阻率小且灵敏度高。但却属于准脆性材料，易开裂且裂缝较宽，在使用过程中所构成的导电网络会因材料开裂而断开，该水泥基材料脆性的特点严重影响了水泥基材料的导电特性。专利文献《一种高抗折硫氧镁基无机复合胶凝材料》(CN106882933A)公开了一种改性硫氧镁基水泥材料，其中添加了磷酸、磷酸一氢钠、磷酸二氢盐、磷酸三钠、酒石酸盐、乳酸、丁二酸等外加剂。可以有效抑制硫氧镁水泥中生成氢氧化镁，因此制成的硫氧镁水泥具有优秀的力学性能和耐水性能，但所述外加剂成本偏高，不利于控制硫氧镁水泥的生产成本。此外加入的硅灰、矿渣、木屑、白云石粉、页岩粉等填料，虽降低了硫氧镁水泥的生产成本，但阻碍了硫氧镁水泥的胶凝作用，导致制得的材料易开裂。专利文献《导一种导电超高延性的水泥基复合材料及其制备方法》(CN109626908A)公开了一种导电超高延性的水泥基复合材料及其制备方法，该水泥基复合材料同时具有超高的导电率及裂缝控制能力，主要于路面融雪除冰，该水泥基材料有较高延展性，但其中添加的纳米导电碳粉和碳纤维影响了其普通硅酸盐水泥或者复合硅酸盐水泥的强度，在实际使用与清洁时，易造成损坏。
技术实现思路
本专利技术目的在于，提供一种水泥基复合材料、深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的装置。同时提供了一种高强度、低电阻、耐腐蚀、耐高温、轻质、早强、吸水率低、电热转化效率高的碳纤维-硫氧镁水泥基复合材料的制备工艺，同时筛选深海产电菌株以燃料电池方式为其提供稳定电压和输出功率。为达到上述目的，本专利技术采用了如下的技术方案：本专利技术提供一种水泥基复合材料，所述复合材料按重量份数计，包括：氧化镁80～120份，硫酸镁35～45份，碳纤维2～4份，石墨18～28份，硅粉10～15份，水100～130份，分散剂0.8～1.7份，改性剂0.5～2.0份，消泡剂4～9份，所述氧化镁为轻烧氧化镁，氧化镁含量≧90％，活性在65％以上；所述硫酸镁为七水硫酸镁；所述碳纤维为长度3～9mm的的聚丙烯腈(PAN)为原材料的PAN基碳纤维，直径为5～7μm，电阻率为1.5×10-3Ω/cm，抗拉强度为3.5～3.8GPa；所述分散剂包括羧甲基纤维素钠，十二烷基苯磺酸钠或甲基纤维素中的一种；所述石墨纯度≧99.85％；所述硅粉为冶炼铁合金或金属硅时，烟气中收集的飞灰，SiO2含量在84％～98，颗粒粒径0.01μm～0.1μm；所述改性剂包括柠檬酸；所述消泡剂为磷酸三丁酯或聚二甲基硅氧烷。本专利技术所述的一种水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将硫酸镁溶解在水中，得到硫酸镁溶液，其中，硫酸镁溶液的波美度为30～35°Bé；(2)将改性剂溶解在硫酸镁溶液中，然后将一定量的短切碳纤维投入溶解好的硫酸镁溶液，与氧化镁一同加入搅拌机中进行搅拌，随后依次加入石墨、硅粉、分散剂、消泡剂，得到胶凝材料；(3)将得到胶凝材料放入模具中，在温度为20～35℃，相对湿度50～70％的环境中养护24～48h后，脱模在该环境中继续养护25～35d；最终得到的碳纤维-硫氧镁水泥复合材料。在实际施工中以串联或并联的方式嵌入或安装于硅酸盐水泥内部，形成需加热的建筑物。在达到导电发热的目的下，同时不影响水泥材料整体强度。本专利技术还提供所述水泥基复合材料在微生物燃料电池组外部构筑物、外系统建筑物方面的应用。作为一种优选的应用，本专利技术进一步提供了一种深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的装置，所述装置包括数据传感监测系统1，数据分析控制系统2，废水、微生物培养与输送系统3，微生物燃料电池组4，外系统建筑物5，蓄电池6，控制开关7，微生物燃料电池组外部构筑物8；其中，所述外系统建筑物5使用所述的复合材料构建，或中间及下层包裹所述的复合材料的硅酸盐水泥；所述微生物燃料电池组外部构筑物8使用所述的复合材料构建；所述数据传感监测系统1包括电压监测设备1-1，阳极监测设备1-2和废水COD、BOD监测设备1-3及出水COD、BOD监测设备1-4；所述数据分析控制系统2包括数据处理器2-1和外部终端2-2；所述数据处理器2-1分别连接着外部终端2-2和电压监测设备1-1，阳极监测设备1-2、废水COD、BOD监测设备1-3、出水COD、BOD监测设备1-4、阴极菌液流量泵3-4、废水流量泵3-8，对其间的数据、信号进行识别转换。所述废水、微生物储存与输送系统3包括阳极菌液培养罐3-1，阴极菌液培养罐3-2，阳极菌液流量泵3-3，阴极菌液流量泵3-4，阳极菌液输送管3-5，阴极菌液输送管3-6，废水储蓄池3-7，废水流量泵3-8和废水输送管3-9；所述微生物燃料电池组4是由微生物燃料电池经串联和/本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水泥基复合材料，其特征在于：所述复合材料按重量份数计，包括：氧化镁80～120份，硫酸镁35～45份，碳纤维2～4份，石墨18～28份，硅粉10～15份，水100～130份，分散剂0.8～1.7份，改性剂0.5～2.0份，消泡剂4～9份。/n

【技术特征摘要】
1.一种水泥基复合材料，其特征在于：所述复合材料按重量份数计，包括：氧化镁80～120份，硫酸镁35～45份，碳纤维2～4份，石墨18～28份，硅粉10～15份，水100～130份，分散剂0.8～1.7份，改性剂0.5～2.0份，消泡剂4～9份。


2.根据权利要求1所述的复合材料，所述氧化镁为轻烧氧化镁，氧化镁含量≧90％，活性在65％以上；
所述硫酸镁为七水硫酸镁；
所述碳纤维为长度3-9mm的聚丙烯腈基碳纤维，直径为5～7μm，电阻率为1.5×10-3Ω/cm，抗拉强度为3.5～3.8GPa；
所述分散剂包括羧甲基纤维素钠，十二烷基苯磺酸钠或甲基纤维素中的一种；
所述石墨纯度≧99.85％；
所述改性剂包括柠檬酸；
所述消泡剂为磷酸三丁酯或聚二甲基硅氧烷。


3.一种权利要求1或2所述的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硫酸镁溶解在水中，得到硫酸镁溶液，其中，硫酸镁溶液的波美度为30～35°Bé；
(2)将改性剂溶解在硫酸镁溶液中，然后将碳纤维投入溶解好的硫酸镁溶液，加入氧化镁进行搅拌，随后依次加入石墨、硅粉、分散剂、消泡剂，得到胶凝材料；
(3)将得到胶凝材料放入模具中，在温度为20～35℃，相对湿度50～70％的环境中养护24～48h后，脱模在该环境中继续养护25～35d；最终得到的碳纤维-硫氧镁水泥复合材料。


4.一种权利要求1或2所述水泥基复合材料在微生物燃料电池组外部构筑物、外系统建筑物方面的应用。


5.一种深海热液微生物处理有机废物与水泥基材协同供热的装置，其特征在于，所述装置包括数据传感监测系统(1)，数据分析控制系统(2)，废水、微生物培养与输送系统(3)，微生物燃料电池组(4)，外系统建筑物(5)，蓄电池(6)，控制开关(7)，微生物燃料电池组外部构筑物(8)；其中，所述外系统建筑物(5)使用权利要求1或2所述的复合材料构建，或中间及下层包裹权利要求1或2所述的复合材料的硅酸盐水泥；
所述微生物燃料电池组外部构筑物(8)使用权利要求1或2所述的复合材料构建；
所述数据传感监测系统(1)包括电压监测设备(1-1)，阳极监测设备(1-2)和废水COD、BOD监测设备(1-3)及出水COD、BOD监测设备(1-4)；
所述数据分析控制系统(2)包括数据处理器(2-1)和外部终端(2-2)；
所述废水、微生物储存与输送系统(3)包括阳极菌液培养罐(3-1)，阴极菌液培养罐(3-2)，阳极菌液流量泵(3-3)，阴极菌液流量泵(3-4)，阳极菌液输送管(3-5)，阴极菌液输送管(3-6)，废水储蓄池(3-7)，废水流量泵(3-8)和废水输送管(3-9)；
所述微生物燃料电池组(4)是由微生物燃料电池经串联和/或并联组成的电池组，所述微生物燃料电池包括废水缓冲稳定区(4-4)、有机废水主处理区(4-5)和阴极反应区(4-8)；所述废水缓冲稳定区(4-4)包括废水入口(4-2)；所述有机废水主处理区(4-5)包括阳极菌液入口(4-1)、阳极电极(4-7)和密封圈(4-10、4-11)；所述阴极反应区(4-8)包括阴极电极(4-9)，阴极菌液入口(4-3)和出水口(4-12)；
其中，阳极菌液输送管(3-5)上设置阳极菌液流量泵(3-3)；阴极菌液输送管(3-6)上设置阴极菌液流量泵(3-6)；废水储蓄池(3-7)与废水输送管(3-9)的入口端连接，废水输送管(3-9)上设置废水流量泵(3-8)；数据处理器(2-1)分别与阴极菌液流量泵(3-4)和废水流量泵(3-8)相连接；
所述废水入口(4-2)与废水储蓄池(3-7)通过废水输送管(3-9)连接；
所述阳极菌液入口(4-1)与阳极菌液培养罐(3-1)通过阳极菌液输送管(3-5)连接，阳极菌液入口(4-1)通过空心管与阳极电极(4-7)相通，阳极菌液直接注入至阳极附近；在阳极电极(4-7)设置有阳极监测设备(1-2)，在废水缓冲稳定区(4-4)的废水入口(4-2)设置有废水COD、BOD监测设备(1-3)；
所述阴极菌液入口(4-3)与阴极菌液培养罐(3-2)通过阴极菌液输送管(3-6)连接，阴极菌液入口(4-3)通过空心轴与阴极电极(4-9)相通，阴极菌液直接注入至阴极附近；在出水口(4-12)设置有出水COD、BOD监测设备(1-4)；
阳极电极(4-7)与阴极电极(4-9)通过导线相连接，由反应器壁引出，并通过密封圈(4-10、4-11)进行密封；
废水缓冲稳定区(4-4)与有机废水主处理区(4-5)之间通过隔板(4-6)间隔，隔板(4-6)末端设有排出口(4-13)；
所述微生物燃料电池组外部构筑物(8)位于微生物燃料电池组(4)的外部；
所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李浩然，李昊晟，李新，刘顺亮，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，中国大洋矿产资源研究开发协会中国大洋事务管理局，
类型：发明
国别省市：北京;11