一種有機直鏈含氮化合物修飾石墨氈陽極材料的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于化學材料領域，涉及一種電極材料，主要是一種用于電滲透脫水裝置 中陽極材料，尤其是有機直鏈含氮化合物修飾石墨氈陽極材料的制備方法。
【背景技術】
[0002] 目前污泥中含有各種污染物，若不進行無害化處理、處置，直接投放到環境中，將 對環境造成污染。隨著各地污水處理廠的大量建設和運行，污泥產生量大大增加，污泥的處 理和處置已經引起越來越多人的關注，通常普通機械脫水只能脫去很少量水，將近有百分 之上的水不能脫去，為了進一步實現深度脫水，電滲透脫水機得到廣泛的應用，電滲透脫水 在脫水過程中，由于脫水效率好，污泥處置綜合經濟效益高。可以將每噸污泥含水量從80% 脫水降低至60%以下。
[0003] 污泥電滲透高干脫水機是利用外加直流電場，并輔以一定的機械壓力脫除物料中 機械壓濾無法脫除的一部分間隙水和吸附水的污泥高干脫水設備。是一種新開發的污泥脫 水技術，它將固液分離技術和污泥自身具有的電化學性質的物理化學處理技術有機地結合 起來，利用"電力"進行脫水。其工作原理是由于污泥相對水來說都帶有輕微的負電荷，但 污泥顆粒和周圍介質溶液作為一個整體是電中性的，為了平衡這些負電荷，污泥顆粒表面 必會吸附介質溶液中帶有相反電荷的陽離子。固體顆粒表面的負電荷與其吸附的周圍介質 中的反離子構成所謂的雙電層。在電場作用下，污泥固體顆粒表面吸附的陽離子攜帶水分 向陰極移動，形成電滲透現象。電滲透脫水是給污泥施加一定的直流電壓，利用污泥粒子和 水分子相互向相反的極性方向分離移動的現象進行脫水。在電滲透脫水裝置中最重要的是 電極材料和形狀，尤其是陽極材料，由于通電后的電解消耗和脫水的苛刻使用狀態，需電阻 低、耐壓、耐摩擦、不易破損、易加工成不同形狀、無重金屬溶出的材料等特點。但是目前的 陽極材料很難滿足上述要求，因此設計一種性能優良、普適性性強的陽極材料顯得尤為重 要。
【發明內容】
[0004] 針對上述問題，本發明的目的在于提供主要是一種用于電滲透脫水裝置中陽極材 料，主要是用有機直鏈含氮化合物修飾石墨氈陽極材料，通過有機直鏈含氮化合物改性石 墨毯的表面性能，從而改善陽極材料的各項性能。
[0005] 本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：
[0006] -種有機直鏈含氮化合物修飾石墨氈陽極材料的制備方法，其特征在于，包括下 述步驟：
[0007] (1)石墨氈的預處理：首先取石墨氈進行裁剪處理，把石墨租剪成5cm*8cm大小的 長方形作為陽極材料，將裁剪好的石墨氈在450~600°C下恒溫熱處理2h，冷卻后，然后在 丙酮、乙醇、去離子水中依次超聲清洗，在120°C下真空干燥3h，將預處理好的石墨粒放入 干燥器中備用。
[0008] (2)陽極材料的制備：
[0009] 將預處理過后的石墨氈放入含有100mLS0Cl2, 3mL氮氮二甲基甲酰胺的混合溶液 中，在70°C下回流48h，接著在真空條件下用四氫呋喃反復沖洗，然后在室溫條件下干燥 24h，將其放入含有20mL有機直鏈的含氮化合物，IOOmL的氮氮二甲基甲酰胺在130°C下回 流48h，這樣可以使氨基將氯原子取代，然后用乙醇反復沖洗三次，接著在室溫條件下干燥 24h，得到陽極材料，放入干燥器備用。
[0010] 進一步，上述步驟（2)有機直鏈的含氮化合物為1，3-丙二胺、乙二胺、甘氨酸或蘇 氨酸中任一種。
[0011] 進一步，上述步驟（1)超聲清洗的設定條件為溫度35°C，超聲時間為10~20mim。
[0012] 進一步，上述步驟（1)中所用乙醇質量分數為40~50%。
[0013] 本發明的優點在于：本發明制備的陽極材料，經過有機直鏈含氮化合物修飾過后 的石墨鏈表面變得更粗糙，比表面積比較大，使得更多的細菌吸附在電極上，使得電子能夠 更容易的從微生物傳遞到陽極上，同時增加了功率密度和耐壓，同時無重金屬材料的溶出， 性能穩定，易于廣泛的使用。
【具體實施方式】
[0014] 以下結合具體實施例對本發明作具體的介紹。
[0015] 實施例1 :乙二胺修飾石墨氈陽極材料的制備方法，包括下述步驟：
[0016] (1)石墨氈的預處理：首先取石墨氈進行裁剪處理，把石墨租剪成5cm*8cm大小的 長方形作為陽極材料，將裁剪好的石墨氈在450~600°C下恒溫熱處理2h，冷卻后，然后在 丙酮、乙醇、去離子水中依次超聲清洗在120°C下真空干燥3h，將預處理好的石墨粒放入干 燥器中備用。
[0017] (2)陽極材料的制備：
[0018] 將預處理過后的石墨氈放入含有100mLS0Cl2,3mL氮氮二甲基甲酰胺的混合溶液 中，在70°C下回流48h，接著在真空條件下用四氫呋喃反復沖洗，然后在室溫條件下干燥 24h，將其放入含有20mL乙二胺，IOOmL的氮氮二甲基甲酰胺在130°C下回流48h，這樣可以 使氨基將氯原子取代，然后用乙醇反復沖洗三次，接著在室溫條件下干燥24h，得到陽極材 料，放入干燥器備用（GF-A)。
[0019] 實施例2 :1，3-丙二胺修飾石墨氈陽極材料的制備方法，包括下述步驟：
[0020] (1)石墨氈的預處理：首先取石墨氈進行裁剪處理，把石墨租剪成5cm*8cm大小的 長方形作為陽極材料，將裁剪好的石墨氈在450~600°C下恒溫熱處理2h，冷卻后，然后在 丙酮、乙醇、去離子水中依次超聲清洗在120°C下真空干燥3h，將預處理好的石墨粒放入干 燥器中備用。
[0021] ⑵陽極材料的制備：
[0022] 將預處理過后的石墨氈放入含有100mLS0Cl2, 3mL氮氮二甲基甲酰胺的混合溶液 中，在70°C下回流48h，接著在真空條件下用四氫呋喃反復沖洗，然后在室溫條件下干燥 24h，將其放入含有20mLl，3-丙二胺，IOOmL的氮氮二甲基甲酰胺在130°C下回流48h，這樣 可以使氨基將氯原子取代，然后用乙醇反復沖洗三次，接著在室溫條件下干燥24h，得到陽 極材料，放入干燥器備用（GF-P)。
[0023] 實施例3 :甘氨酸修飾石墨氈陽極材料的制備方法，包括下述步驟：
[0024] 將預處理過后的石墨氈浸入一定濃度的甘氨酸中30min，然后用去離子水反復沖 洗，直到去離子水為中性為止，再將修飾過后的石墨鏈放入真空干燥箱中在120°C干燥2h， 然后放入干燥器備用（GF-G)。
[0025] 實施例4 :蘇氨酸修飾石墨氈陽極材料的制備方法，包括下述步驟：
[0026] 將預處理過后的石墨租浸入一定濃度的甘氨酸中30min，然后用去離子水反復沖 洗，直到去離子水為中性為止，再將修飾過后的石墨鏈放入真空干燥箱中在120°C干燥2h， 然后放入干燥器備用（GF-T)。
[0027] 實施例5 :
[0028] 將上述實施例中有機直鏈含氮化合物修飾石墨氈陽極材料作為陽極，將未改性的 石墨氈作為陰極，將質子交換膜作為中間傳輸介質，制作一個微生物的燃料電池，測定陽極 材料的性能。（以未修飾的石墨氈為陽極材料做對比實驗），其測試數據如下表。
[0029] 其中質子交換膜的處理為：（1)首先要將吸附在質子膜表面的有機雜質氧化，使 用3%的雙氧水在80°C的條件下加熱2h，再用蒸館水洗凈處理過后的質子膜表面殘留的雙 氧水；（2)然后再除去質子膜表面的酸和其他雜質，使用0. 5mol/L的稀硫酸在80°C的條件 下浸泡2h ; (3)接著用蒸館水一直沖洗質子膜，用以清除表面殘留的稀硫酸，直到溶液為中 性為止，然后將質子膜放于蒸餾水中備用。
[0031] 由上表我們可以看出，本發明制備的陽極材料，經過有機直鏈含氮化合物修飾過 后的石墨鏈表面變得更粗糙，比表面積變大，使得更多的細菌吸附在電極上，使得電子能夠 更容易的從微生物傳遞到陽極上，使得功率密度和穩定電壓都有相應的提高。
[0032] 本發明并不局限于上述【具體實施方式】，熟悉本技術領域的人員還可據此做出多種 變化，但任何與本發明等同或相類似的變化都應涵蓋在本發明權利要求的范圍內。
【主權項】
1. 一種有機直鏈含氮化合物修飾石墨氈陽極材料的制備方法，其特征在于，包括下述 步驟： (1) 石墨氈的預處理：首先取石墨氈進行裁剪處理，把石墨租剪成5cm*8cm大小的長方 形作為陽極材料，將裁剪好的石墨氈在450~600°C下恒溫熱處理2h，冷卻后，然后在丙酮、 乙醇、去離子水中依次超聲清洗，在120°C下真空干燥3h，將預處理好的石墨粒放入干燥器 中備用； (2) 陽極材料的制備：將預處理過后的石墨氈放入含有100mLS0Cl2,3mL氮氮二甲基甲 酰胺的混合溶液中，在70°C下回流48h，接著在真空條件下用四氫呋喃反復沖洗，然后在室 溫條件下干燥24h，將其放入含有20mL有機直鏈的含氮化合物，IOOmL的氮氮二甲基甲酰胺 在130°C下回流48h，后用乙醇反復沖洗三次，接著在室溫條件下干燥24h，得到陽極材料， 放入干燥器備用。2. 根據權利要求1所述一種有機直鏈含氮化合物修飾石墨氈陽極材料的制備方法，其 特征在于，上述步驟（2)有機直鏈的含氮化合物為1，3-丙二胺、乙二胺、甘氨酸或蘇氨酸中 任一種。3. 根據權利要求1所述一種有機直鏈含氮化合物修飾石墨氈陽極材料的制備方法，其 特征在于，上述步驟（1)超聲清洗的設定條件為溫度35°C，超聲時間為10~20mim。4. 根據權利要求1所述一種有機直鏈含氮化合物修飾石墨氈陽極材料的制備方法，其 特征在于，上述步驟（1)中所用乙醇質量分數為40~50%。
【專利摘要】本發明提供一種有機直鏈含氮化合物修飾石墨氈陽極材料的制備方法，將預處理過后的石墨氈放入含有100mLSOCl2，3mL氮氮二甲基甲酰胺的混合溶液中，在70℃下回流48h，接著在真空條件下用四氫呋喃反復沖洗，干燥，將其放入含有20mL有機直鏈的含氮化合物，再加入100mL的氮氮二甲基甲酰胺在130℃下回流48h，然后用乙醇反復沖洗，干燥，得到陽極材料，放入干燥器備用。本發明制備的陽極材料，經過有機直鏈含氮化合物修飾過后的石墨鏈表面變得粗糙，比表面積變大，易于細菌吸附在電極上，使得電子能夠更容易的從微生物傳遞到陽極上，增加了功率密度和耐壓，同時無重金屬材料的溶出，性能穩定，易于廣泛的使用。
【IPC分類】B01D61/56, C02F11/12, H01M4/88
【公開號】CN105060672
【申請號】CN201510382888
【發明人】孫浩
【申請人】天津霍普環保科技有限公司
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年7月3日