【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水处理，尤其是指一种二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料及其制备方法与应用。
技术介绍
1、近年来饮用水硬度成为人们关注的水质指标之一，尽管水厂的出水硬度都能低于《生活饮用水卫生标准》gb5749-2022的规定值(450mg/l)，但由于存在给水管网老化等问题，饮用水在输送至家庭龙头时硬度会超出《生活饮用水卫生标准》的规定值，造成了口感差、水垢沉积以及健康危害等问题，用户的体验与现在所提倡的“智慧水务”大相径庭。水垢是在烧水过程钙镁离子与碱度共同产生的，在水体温度没有升高时，水中的hco3-、ca2+、mg2+、oh-处于溶解平衡状态，当水体温度升高时，oh-与hco3-反应生成co32-，co32-与ca2+形成caco3，oh-与mg2+生成mg(oh)2。随着水体温度进一步升高，碳酸钙与氢氧化镁的溶度积降低，水垢因此析出。尽管水垢在容器壁面沉淀，但仍然残留有无法有效沉淀的微细颗粒，这些颗粒随着饮用水进入人体，碳酸钙在酸性环境中分解为ca2+被人体吸收，若长时间引用高硬度水，会出现肾衰竭、肾结石等严重危害。除此之外有研究表明，钙离子还会引发富集效应，使得水体中重金属离子浓度升高，危害人体健康；氢氧化镁在酸性环境中分解为mg2+被人体吸收，镁的毒性往往以放大效应表现，当存在低血钙、尿毒症时，镁的毒性会增强，引起神经系统的疾病。
2、近年来针对降低饮用水硬度的研究越来越多，其中应用较广的方法有：石灰软化法、离子交换软化法、膜软化法，电化学软化法等。石灰软化法可以有效降低水中的硬度，但长期投加的药剂对给水
3、电化学软化水主要是通过阳极与阴极发生的氧化还原反应进行，电解时阳极发生氧化反应，产生氧气与氯气，阴极发生还原反应，产生氢气与氢氧根离子，氢氧根离子与水中的碳酸氢根离子结合生成碳酸根离子与硬度离子结合，生成沉淀降低硬度。然而电化学软化法还存在以下问题：电化学沉积负荷低、长期运行稳定性差，软化速度慢。因此，开发具有高沉积负荷、高软化效率的电化学软化反应体系具有重要意义。可以通过在阴极添加导电粒子形成三维电极实现较高的沉积负荷；目前已有实验数据表明三维粒子电极法可以实现较高的硬度去除率，但所用电流较大且软化时间长。
4、因此，开发一种制备方法简单，材料成本低、反应速度快、导电性能好、可再生性能好的粒子电极迫在眉睫。
技术实现思路
1、为解决现有电化学法软化饮用水存在的沉积负荷低、阴极易失活、软化速度慢和能耗高等问题，本专利技术提供了一种二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料及其制备方法与应用。本专利技术所指出的方法先在无水乙醇中溶解盐酸多巴胺、三羟甲基氨基甲烷、聚乙烯亚胺，再通过滴加硅酸四乙酯，完成硅酸四乙酯的水解，最后再通过振荡将水解缩聚产生的二氧化硅微球附着在不锈钢颗粒，得到二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料。另外，还相应地提供复合材料在电化学法软化饮用水中的应用，该应用具有软化速度快、沉积负荷高、再生性好等优点。
2、本专利技术的第一个目的在于提供一种二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料，所述二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料为核壳结构，以不锈钢颗粒为核，二氧化硅微球层为壳，所述二氧化硅微球层表面含有硅羟基。
3、在本专利技术的一个实施例中，所述不锈钢颗粒的粒径大小为1.5mm；所述二氧化硅微球层的厚度为80-150nm.
4、本专利技术的第二个目的在于提供所述的二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料的制备方法，包括以下步骤：
5、(1)将三羟甲基氨基甲烷、盐酸多巴胺与聚乙烯亚胺混合，加入乙醇混合溶液中，超声分散得到盐酸多巴胺与乙醇的混合物；
6、(2)向步骤(1)所得的混合物加入硅酸四乙酯，搅拌水解，得到硅酸四乙酯水解的溶液；
7、(3)向步骤(2)所得硅酸四乙酯水解的溶液加入不锈钢颗粒，恒温振荡，得到所述二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料。
8、在本专利技术中，盐酸多巴胺的作用是提供粘附性，将水解产生的二氧化硅微球粘附于不锈钢粒子表面。
9、在本专利技术的一个实施例中，步骤(1)中，至少满足以下条件中的一种或多种：
10、所述三羟甲基氨基甲烷、盐酸多巴胺与聚乙烯亚胺的质量比为(3.6：2.4：1)-(3：1：1)。
11、所述乙醇混合溶液由乙醇、水、氨水组成；所述乙醇、水、氨水的体积比为(20：6：1)-(20：2：1)；进一步地，所述水优选超纯水；所述乙醇优选无水乙醇。
12、在本专利技术的一个实施例中，所述超声分散的时间为30-75min。
13、在本专利技术的一个实施例中，步骤(2)中，所述混合物与硅酸四乙酯的质量比为30:1-15:1。
14、在本专利技术的一个实施例中，步骤(2)中，所述水解的时间为3-8min。
15、在本专利技术的一个实施例中，步骤(3)中，所述恒温振荡的温度为15-25℃，转速为110-130rpm，振荡4-12小时。
16、本专利技术的第三个目的在于提供所述的二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料在水质软化中的应用。
17、在本专利技术的一个实施例中，所述水质软化的过程中包括电极反应器；所述电极反应器以所述二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料为三维粒子电极，钛电极作为阴极，钌系涂层钛作为阳极。
18、在本专利技术的具体实施例中，将二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料放于阴极上，硬水自下而上依次通过阴极、复合材料、阳极；其中，以钛网(直径为50mm)为阴极，钌系涂层钛(直径为50mm)作为阳极，设置穿透式反应器。进行电化学软化，进水硬度为500ppm(以碳酸钙计)。
19、进一步地，工作电流密度为50-300a/m2，反应时长为5-30min
20、本专利技术的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
21、(1)、本专利技术通过硅酸四乙酯在碱性环境的水解与缩聚制备了分散性好的二氧化硅微球，然后通过盐酸多巴胺的粘附性，将二氧化硅微球与不锈钢颗粒紧密结合，自组装为二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料。二氧化硅微球具有的硅羟基对硬度离子具有吸附效应，同时电化学过程进一步提高了软化效率。
22、(2)、本专利技术原料廉价易得、制备方法简单且制备过程能耗低。
23、(3)、与现有的电化学软化技术相比，本专利技术所合成的复合材料电化学软化速度快，效率高，可再生性能好，在电化学软化饮用水的处理中有较大的应用前景。
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1.一种二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料，其特征在于，所述二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料为核壳结构，以不锈钢颗粒为核，二氧化硅微球层为壳，所述二氧化硅微球层表面含有硅羟基。
2.根据权利要求1所述的二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料，其特征在于，所述二氧化硅微球层的厚度为80～150nm。
3.一种如权利要求1或2所述的二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述乙醇混合溶液由乙醇、水、氨水组成；所述乙醇、水、氨水的体积比为(20：6：1)-(20：2：1)；
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述三羟甲基氨基甲烷、盐酸多巴胺与聚乙烯亚胺的质量比为(3.6：2.4：1)-(3：1：1)。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述混合物与硅酸四乙酯的质量比为30:1-15:1。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述水解的时间为3-8mi
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述恒温振荡的温度为15-25℃，转速为110-130rpm，振荡4-12小时。
9.权利要求1或2中所述的二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料在水质软化中的应用。
10.根据权利要求9中所述的应用，其特征在于，所述水质软化的过程中包括电极反应器；所述电极反应器以所述二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料为三维粒子电极，钛电极作为阴极，钌系涂层钛作为阳极。
...【技术特征摘要】
1.一种二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料，其特征在于，所述二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料为核壳结构，以不锈钢颗粒为核，二氧化硅微球层为壳，所述二氧化硅微球层表面含有硅羟基。
2.根据权利要求1所述的二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料，其特征在于，所述二氧化硅微球层的厚度为80～150nm。
3.一种如权利要求1或2所述的二氧化硅微球包覆不锈钢颗粒复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述乙醇混合溶液由乙醇、水、氨水组成；所述乙醇、水、氨水的体积比为(20：6：1)-(20：2：1)；
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述三羟甲基氨基甲烷、盐酸多巴胺与聚乙烯亚胺的质量...
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