一種水渣基粒子電極及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三維電極反應(yīng)器的水渣基粒子電極及其制備方法：由水渣、頁巖、成孔劑、活化劑組成，按重量百分比計，干燥細水渣顆粒為50-60%、干燥細頁巖為10-20%、成孔劑為10-20%、活化劑為10-20%。本發(fā)明的水渣粒子電極多孔，且孔徑大，具有很大的比表面積，很強的吸附性、導電性和催化性是一種新型高效的粒子電極，用作廢水處理時，能將有機物快速分解為小分子有機物或者徹底礦化，COD去除率大于90%，從而提高廢水的可生化性。本發(fā)明提供的一種水渣基粒子電極及其制備方法，充分利用工業(yè)廢棄物——水渣，既可以變廢為寶，又可以減少環(huán)境的污染、解決土地占用等問題。
【專利說明】 一種水渣基粒子電極及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于廢水處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種用于處理城市污水中難降解有機物的水渣基粒子電極及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]三維電極是一種新型的高級氧化方法，其反應(yīng)區(qū)域不再局限于電極的簡單幾何表面上，而是在整個床層的三維空間表面上進行，尤其適用于降解反應(yīng)速率低或系統(tǒng)中極限電流密度小的反應(yīng)體系。三維電極的工作機理在于復極性床(沒有隔膜)主要通過主電極間的電場使工作電極粒子(高阻抗)因靜電感應(yīng)而分別帶上正負電荷，使每一個粒子成為一個獨立的電極，電化學氧化和還原反應(yīng)可在每一個電極粒子表面同時進行，縮短了傳質(zhì)距離。粒子電極的性能顯著影響三維電極反應(yīng)器的處理效果，常用的幾種粒子電極包括活性炭、金屬氧化物以及負載的金屬或金屬氧化物，然而這些粒子電極存在如下問題:活性炭顆粒的阻抗相對較小，裝填于三維電極反應(yīng)器中運行時容易形成短路電流，從而降低電流效率，并且活性炭粒子在電解過程中還會出現(xiàn)粉化現(xiàn)象；金屬氧化物粒子電極在電解過程中會有一些有毒的離子溶出，會成為二次污染物，例如PbO2粒子電極；負載的金屬或金屬氧化物克服了活性炭粒子電極的缺點，提高了廢水處理效果，但也存在負載金屬易于脫落等問題。目前，對于三維電極體系，為了提高電流效率，在深入了解三維電極催化反應(yīng)機理的基礎(chǔ)上，設(shè)計及制備在常溫常壓條件下具有良好的導電性、吸附性和催化性能粒子電極是今亟待解決的關(guān)鍵問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是克服上訴粒子電極填料存在的問題，提供一種水渣基粒子電極及其制備方法。本發(fā)明所提供的粒子電極材料作為三維電極反應(yīng)器的工作電極，可有效降解廢水中的有機物，且電流效率高，能耗低。
[0004]一種水渣基粒子電極，按照重量百分比計，干燥細水渣顆粒占50-60%、干燥細頁巖占10-20%、成孔劑占10-20%、活化劑占10-20%。
[0005]所述成孔劑可以是炭粉、鋸末屑、淀粉、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、聚苯乙烯顆粒中的一種。
[0006]所述活化劑可以是Fe304、Fe203、Mn02、ZnO中的一種。
[0007]所述水渣是鋼鐵企業(yè)冶煉生鐵時，由鐵礦石中的非鐵成份和焦炭、噴吹煤中的灰份等熔化后，從高爐中排出后經(jīng)水淬快冷固化形成的副產(chǎn)品，是一種工業(yè)廢棄物。
[0008]上述水渣基粒子電極的制備方法，包括如下步驟:
A、水渣顆粒于球磨機中球磨，取出后洗滌、浸泡(洗滌、浸泡的目的在于解吸雜質(zhì))，于烘箱內(nèi)120°C下烘干，然后過60目篩，取干燥細水渣顆粒備用；
B、頁巖放于烘箱內(nèi)120°C烘干，將烘干的頁巖在研缽中粉碎，然后過60目篩，取干燥細頁巖備用； C、將步驟A中的干燥細水渣顆粒、步驟B中的干燥細頁巖、成孔劑和活化劑按照一定的重量百分比，混合并攪拌均勻，擠壓成生料球；
D、將步驟C中的生料球在烘箱中120°C下烘24小時；
E、將步驟D中烘干后的生料球，置于高溫爐中從室溫以120°C/h升至300°C，加熱2h，然后以 60°C /h 升至 550°C，活化 10-30min,再以 300°C /h 升至 1050°C焙燒 10_30min，自然冷卻至室溫，得到水渣基粒子電極材料。
[0009]按照重量百分比計，干燥細水渣顆粒占50-60%、干燥細頁巖占10-20%、成孔劑占10-20%、活化劑占 10-20%。
[0010]所述成孔劑可以是炭粉、鋸末屑、淀粉、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、聚苯乙烯顆粒中的一種。
[0011]所述活化劑可以是Fe304、Fe203、Mn02、ZnO中的一種。
[0012]通過上述制備方法制備的水渣基粒子電極，取固體廢棄物水渣為原料。水渣中含有多種堿性氧化物(CaO、Al2O3等)，制作成粒子電極后在與廢水接觸后能溶出部分堿性物，與成孔劑混合在一起后，能夠產(chǎn)生良好的化學反應(yīng)，使顆粒表面形成多孔狀態(tài)，因而對廢水中的污染物質(zhì)具有較好的吸附、去除作用。而且，冶煉生鐵過程中產(chǎn)生的廢棄物水渣，其堆放不僅需要資金和大面積堆場，而且污染環(huán)境。利用水渣制作三維電極用的粒子催化電極，可以變廢為寶，減少環(huán)境的污染、土地的占用等問題。
[0013]本發(fā)明提供的水渣基粒子電極及其制備方法，符合當前國家節(jié)能減排的環(huán)保政策。制備的粒子電極多孔，且孔徑大，具有很大的比表面積、很強的吸附性能、良好的導電性和催化性能是一種新型高效的粒子電極。
[0014]以下結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明。

【具體實施方式】
[0015]實施例一:
A、水渣顆粒于球磨機中球磨，取出后洗滌、浸泡(洗滌、浸泡的目的在于解吸雜質(zhì))，于烘箱內(nèi)120°C下烘干，然后過60目篩，取干燥細水渣顆粒備用；
B、頁巖放于烘箱內(nèi)120°C烘干，將烘干的頁巖在研缽中粉碎，然后過60目篩，取干燥細頁巖備用；
C、將步驟A中的干燥細水渣顆粒、步驟B中的干燥細頁巖、炭粉和Fe3O4按照50%: 20%: 20%: 10%的重量百分比，混合并攪拌均勻，擠壓成生料球；
D、將步驟C中的生料球在烘箱中120°C下烘24小時；
E、將步驟D中烘干后的生料球，置于高溫爐中從室溫以120°C/h升至300°C，加熱2h，然后以60°C/h升至550°C，活化20min，再以300°C/h升至1050°C焙燒30min，自然冷卻至室溫，得到水渣基粒子電極材料。
[0016]取上述實施例中制備的水渣基粒子電極5.0g，填充于反應(yīng)器中，制得三維電極反應(yīng)器，在電壓為6.0V,電流為0.2A時，通電降解30ml印染廢水45min，CODcr去除率達到95%。
[0017]實施例二:
A、水渣顆粒于球磨機中球磨，取出后洗滌、浸泡(洗滌、浸泡的目的在于解吸雜質(zhì))，于烘箱內(nèi)120°C下烘干，然后過60目篩，取干燥細水渣顆粒備用；
B、頁巖放于烘箱內(nèi)120°C烘干，將烘干的頁巖在研缽中粉碎，然后過60目篩，取干燥細頁巖備用；
C、將步驟步A中的干燥細水渣顆粒、步驟B中的干燥細頁巖、鋸末屑和Fe2O3按照55%: 15%: 15%: 15%的重量百分比，混合并攪拌均勻，擠壓成生料球；
D、將步驟C中的生料球在烘箱中120°C下烘24小時；
E、將步驟D中烘干后的生料球，置于高溫爐中從室溫以120°C/h升至300°C，加熱2h，然后以60°C/h升至550°C，活化20min，再以300°C/h升至1050°C焙燒30min，自然冷卻至室溫，得到水渣基粒子電極材料。
[0018]取上述實施例中制備的水渣基粒子電極5.0g，填充于反應(yīng)器中，制得三維電極反應(yīng)器，在電壓為6.0V,電流為0.2A時，通電降解30ml印染廢水45min，CODcr去除率達到94%。
[0019]實施例三:
A、水渣顆粒于球磨機中球磨，取出后洗滌、浸泡(洗滌、浸泡的目的在于解吸雜質(zhì))，于烘箱內(nèi)120°C下烘干，然后過60目篩，取干燥細水渣顆粒備用；
B、頁巖放于烘箱內(nèi)120°C烘干，將烘干的頁巖在研缽中粉碎，然后過60目篩，取干燥細頁巖備用；
C、將步驟A中的干燥細水渣顆粒、步驟B中的干燥細頁巖、淀粉和MnO2按照60%: 15%: 15%: 10%的重量百分比，混合并攪拌均勻，擠壓成生料球；
D、將步驟C中的生料球在烘箱中120°C下烘24小時；
E、將步驟D中烘干后的生料球，置于高溫爐中從室溫以120°C/h升至300°C，加熱2h，然后以60°C/h升至550°C，活化20min，再以300°C/h升至1050°C焙燒30min，自然冷卻至室溫，得到水渣基粒子電極材料。
[0020]取上述實施例中制備的水渣基粒子電極5.0g，填充于反應(yīng)器中，制得三維電極反應(yīng)器，在電壓為6.0V,電流為0.2A時，通電降解30ml印染廢水45min，CODcr去除率達到94%。
[0021]實施例四:
A、水渣顆粒于球磨機中球磨，取出后洗滌、浸泡(洗滌、浸泡的目的在于解吸雜質(zhì))，于烘箱內(nèi)120°C下烘干，然后過60目篩，取干燥細水渣顆粒備用；
B、頁巖放于烘箱內(nèi)120°C烘干，將烘干的頁巖在研缽中粉碎，然后過60目篩，取干燥細頁巖備用；
C、將步驟A中的干燥細水渣顆粒、步驟B中的干燥細頁巖、淀粉和MnO2按照60%: 10%: 10%: 20%的重量百分比，混合并攪拌均勻，擠壓成生料球；
D、將步驟C中的生料球在烘箱中120°C下烘24小時；
E、將步驟D中烘干后的生料球，置于高溫爐中從室溫以120°C/h升至300°C，加熱2h，然后以60°C/h升至550°C，活化20min，再以300°C/h升至1050°C焙燒30min，自然冷卻至室溫，得到水渣基粒子電極材料。
[0022]取上述實施例中制備的水渣基粒子電極5.0g，填充于反應(yīng)器中，制得三維電極反應(yīng)器，在電壓為6.0V,電流為0.2A時，通電降解30ml印染廢水45min，CODcr去除率達到96%。
[0023]實施例五:
A、水渣顆粒于球磨機中球磨，取出后洗滌、浸泡(洗滌、浸泡的目的在于解吸雜質(zhì))，于烘箱內(nèi)120°C下烘干，然后過60目篩，取干燥細水渣顆粒備用；
B、頁巖放于烘箱內(nèi)120°C烘干，將烘干的頁巖在研缽中粉碎，然后過60目篩，取干燥細頁巖備用；
C、將步驟A中的干燥細水渣顆粒、步驟B中的干燥細頁巖、聚乙烯醇(PVA)和ZnO按照55%: 15%:20%: 10%的重量百分比，混合并攪拌均勻，擠壓成生料球；
D、將步驟C中的生料球在烘箱中120°C下烘24小時；
E、將步驟D中烘干后的生料球，置于高溫爐中從室溫以120°C/h升至300°C，加熱2h，然后以60°C/h升至550°C，活化20min，再以300°C/h升至1050°C焙燒30min，自然冷卻至室溫，得到水渣基粒子電極材料。
[0024]取上述實施例中制備的水渣基粒子電極5.0g，填充于反應(yīng)器中，制得三維電極反應(yīng)器，在電壓為6.0V,電流為0.2A時，通電降解30ml印染廢水45min，CODcr去除率達到96%。
[0025]實施例六:
A、水渣顆粒于球磨機中球磨，取出后洗滌、浸泡(洗滌、浸泡的目的在于解吸雜質(zhì))，于烘箱內(nèi)120°C下烘干，然后過60目篩，取干燥細水渣顆粒備用；
B、頁巖放于烘箱內(nèi)120°C烘干，將烘干的頁巖在研缽中粉碎，然后過60目篩，取干燥細頁巖備用；
C、將步驟A中的干燥細水渣顆粒、步驟B中的干燥細頁巖、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)和ZnO按照55%: 15%:20%: 10%的重量百分比，混合并攪拌均勻，擠壓成生料球；
D、將步驟C中的生料球在烘箱中120°C下烘24小時；
E、將步驟D中烘干后的生料球，置于高溫爐中從室溫以120°C/h升至300°C，加熱2h，然后以60°C/h升至550°C，活化20min，再以300°C/h升至1050°C焙燒30min，自然冷卻至室溫，得到水渣基粒子電極材料。
[0026]取上述實施例中制備的水渣基粒子電極5.0g，填充于反應(yīng)器中，制得三維電極反應(yīng)器，在電壓為6.0V,電流為0.2A時，通電降解30ml印染廢水45min，CODcr去除率達到97%。
[0027]實施例七:
A、水渣顆粒于球磨機中球磨，取出后洗滌、浸泡(洗滌、浸泡的目的在于解吸雜質(zhì))，于烘箱內(nèi)120°C下烘干，然后過60目篩，取干燥細水渣顆粒備用；
B、頁巖放于烘箱內(nèi)120°C烘干，將烘干的頁巖在研缽中粉碎，然后過60目篩，取干燥細頁巖備用；
C、將步驟A中的干燥細水渣顆粒、步驟B中的干燥細頁巖、聚苯乙烯和ZnO按照55%: 10%: 15%:20%的重量百分比，混合并攪拌均勻，擠壓成生料球；
D、將步驟C中的生料球在烘箱中120°C下烘24小時；
E、將步驟D中烘干后的生料球，置于高溫爐中從室溫以120°C/h升至300°C，加熱2h，然后以60°C /h升至550°C，活化20min，再以300°C /h升至1050°C焙燒30min，自然冷卻至室溫，得到水渣基粒子電極材料。
[0028] 取上述實施例中制備的水渣基粒子電極5.0g，填充于反應(yīng)器中，制得三維電極反應(yīng)器，在電壓為6.0V,電流為0.2A時，通電降解30ml印染廢水45min，CODcr去除率達到94%。
【權(quán)利要求】
1.一種水渣基粒子電極，其特征在于:按照重量百分比計，包括干燥細水渣顆粒50-60%、干燥細頁巖10-20%、成孔劑10-20%、活化劑10_20%。
2.如權(quán)利要求1所述的水渣基粒子電極，其特征在于:成孔劑可以是炭粉、鋸末屑、淀粉、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、聚苯乙烯顆粒中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的水渣基粒子電極，其特征在于:活化劑可以是Fe304、Fe203、Mn02、ZnO中的一種。
4.一種水渣基粒子電極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: A、水渣顆粒于球磨機中球磨，取出后洗滌、浸泡(洗滌、浸泡的目的在于解吸雜質(zhì))，于烘箱內(nèi)120°C下烘干，然后過60目篩，取干燥細水渣顆粒； B、頁巖放于烘箱內(nèi)120°C烘干，將烘干的頁巖在研缽中粉碎，然后過60目篩，取干燥細頁巖； C、將步驟A中的干燥細水渣顆粒、步驟B中的干燥細頁巖、成孔劑和活化劑按照一定的重量百分比，混合并攪拌均勻，擠壓成生料球； D、將步驟C中的生料球在烘箱中120°C下烘24小時； E、將步驟D中烘干后的生料球，置于高溫爐中從室溫以120°C/h升至300°C，加熱2h，然后以 60°C /h 升至 550°C，活化 10-30min,再以 300°C /h 升至 1050°C焙燒 10_30min，自然冷卻至室溫，得到水渣基粒子電極材料。
5.如權(quán)利要求4所述的水渣基粒子電極的制備方法，其特征在于:按照重量百分比計，干燥細水渣顆粒占50-60%、干燥細頁巖占10-20%、成孔劑占10-20%、活化劑占10_20%。
6.如權(quán)利要求4所述的水渣基粒子電極的制備方法，其特征在于:所述成孔劑可以是炭粉、鋸末屑、淀粉、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、聚苯乙烯顆粒中的一種。
7.如權(quán)利要求4所述的水渣基粒子電極的制備方法，其特征在于:所述活化劑可以是Fe304、Fe203、Mn02、ZnO 中的一種。
【文檔編號】C02F1/46GK104276625SQ201310275588
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月3日
【發(fā)明者】馮巖, 張棟, 于衍真, 范麗莎, 李明, 柳宗亮 申請人:濟南大學