利用包覆式复合材料去除钴离子的流通式电容去离子装置的制作方法

本发明属于废水处理，具体涉及一种利用包覆式复合材料去除钴离子的流通式电容去离子装置。

背景技术：

1、重金属污染是当前全球环境问题之一。钴作为一种重要的过渡金属材料，广泛应用于三元电池、硬质合金、玻璃、颜料、电镀等行业，大量的含钴废水随之产生。未经处理的钴废水直接排放不仅造成工业资源的浪费，而且环境中超标的重金属离子会在生物体中积累，引起多种疾病。因此，对含钴离子废水的有效处理变得十分重要。

2、传统钴离子废水处理方法包括化学沉淀法、离子交换树脂法、吸附法、生物法。流程复杂，且需要加入多种反应药剂，效率低且成本高。因此，开发一种高效率、低成本的钴离子废水处理工艺具有重要意义。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本发明提供了一种利用包覆式复合材料去除钴离子的流通式电容去离子装置，解决现有的钴离子废水处理技术存在去除效率低、迁移扩散速度慢、电极材料易脱落的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

3、利用包覆式复合材料去除钴离子的流通式电容去离子装置，包括依次叠层设置的上端板、上垫片、上集流板、上绝缘垫圈、ptfe隔膜、下绝缘垫圈、下集流板、下垫片和下端板；

4、所述上端板、上垫片、上集流板之间形成有出水腔室，所述下集流板、下垫片和下端板之间形成有进水腔室；所述下端板上设置有进水口，所述上端板上设置有出水口；

5、所述上集流板和下集流板均为多孔钛板；

6、所述上集流板位于ptfe隔膜的一侧涂覆有正电极材料涂层，所述正电极材料为导电活性炭；

7、所述下集流板位于ptfe隔膜的一侧涂覆有负电极材料涂层，所述负电极材料为zif-67包覆棒状mno2粉末形成的复合材料；

8、所述上集流板和下集流板分别与电源的正、负极连接。

9、本发明还公开利用包覆式复合材料去除钴离子的流通式电容去离子装置，除上述所述的装置外，还包括电源、电导率仪、用于放待处理溶液的储水容器、蠕动泵；所述上端板的出水口与所述储水容器连接，所述下端板的进水口与蠕动泵连接，蠕动泵与储水容器连接。

10、优选的，所述下集流板和下端板之间设置有超滤膜。

11、优选的，所述钛板上的孔洞直径为200～500um；钛板厚度为0.4～0.7mm。

12、优选的，所述正电极材料涂层制备方法为：

13、步骤1，将pvdf粉末在60～70℃下活化36～48h后，分散于dmf中，70～80℃加热搅拌30～60min，获得胶体溶液；

14、步骤2，将步骤1的胶体溶液与活性炭、乙炔黑、pvdf混合搅拌,获得均匀的活性炭混合浆料；所述活性炭、乙炔黑、pvdf的质量比为8：1：1；

15、步骤3，将步骤2得到的混合浆料刷涂在集流板上，在40～60℃下干燥4～8h，再在去离子水中浸泡12～15h，干燥后，在集流板上形成正电极材料涂层。

16、优选的，所述负电极材料涂层制备方法为：

17、步骤1，将mnso4溶液、kmno4溶液、聚乙烯吡咯烷酮混合，得到混合液；所述mnso4、kmno4和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2.5：1.5～1.6：1；

18、步骤2，将混合液在反应釜中、120～140℃下反应2～3h，降至室温后得到固体，对所得固体进行清洗、干燥，研磨，得到棒状mno2粉末，记作mo；

19、步骤3，将步骤2得到的mo分散于甲醇中，再加入六水合硝酸钴；再在搅拌下加入2-甲基咪唑的甲醇溶液，搅拌10～12h，离心分离得到沉淀；

20、步骤4，清洗步骤3所得沉淀，干燥，研磨，得到mof包覆式复合赝电容材料，记作mo@zif-67；

21、步骤5，将pvdf粉末在60～70℃下活化36～48h后，分散于dmf中，70～80℃加热搅拌30～60min，获得胶体溶液；

22、步骤6，将步骤5的胶体溶液与步骤4的mo@zif-67、乙炔黑、pvdf混合搅拌，获得均匀的混合浆料；所述活性炭、乙炔黑、pvdf的质量比为8：1：1；

23、步骤7，将步骤6的混合浆料涂刷在集流板上，在40～60℃下干燥4～8h，再在去离子水中浸泡12～15h，干燥后，在集流板上形成负电极材料涂层。

24、优选的，所述正电极材料涂层在上集流板上的涂覆量按照上集流板上活性炭含量为2～5mg/cm2进行涂覆。

25、优选的，所述负电极材料涂层在下集流板上的涂覆量按照下集流板上mo@zif-67含量约2～5mg/cm2进行涂覆。

26、优选的，所述上集流板和下集流板之间的间距为1～3mm。

27、优选的，所述电源为支流脉冲电源。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

29、(1)本发明改变传统电容去离子系统进水方向，使水流垂直穿过阴阳集流板，多孔阴极集流板连接外接电源负极，作为阳极的活性炭涂层多孔集流板与正极相连以在电容去离子组件中形成电场，辅助阴极材料捕获目标带电体，强化系统离子去除效果，提高电极材料的有效利用率；平行电场方向的水流提高了带电体向电极方向的迁移速度，同时减缓了水流对电极材料侧面的冲击，提高电极稳定性，稳定系统运行效果。另外，本发明利用mof包覆式复合材料的赝电容特性，在电场作用下，钴离子向电极板方向移动，与复合电极材料发生电化学反应，从而实现从废水中去除钴离子的目的。

30、此外，本发明还具有以下优点：

31、(2)本发明装置的进水端、出水端分别设置储水腔室，具有一定布水效果，并在进水储水腔室和电极板间增加超滤膜，提高系统布水均匀度的同时对原水起到预筛分的作用，保障系统运行稳定性；

32、(3)本发明装置中间增加ptfe隔膜，保证水通量的同时防止短路；

33、(4)本发明的上、下集流板采用钛箔，与碳板相比，电极稳定性提高，且可多次清洗后更换不同电极材料，循环利用性佳；集流板上有预留若干可供待处理液穿过的均匀柱状孔洞，有效保证水流通量；

34、(5)本发明的mof包覆式复合材料保留材料赝电容特性，同时在循环电容去离子过程中，多孔mof层减轻了活性电极材料体积变化对电极稳定性的影响，一定程度上缓解开裂问题；

35、(6)本发明外接电源为脉冲电源，间隔地为电容去离子过程提供反转电场，与直流电源的连续电场相比，缓解电极板附近浓差极化的同时能削弱ph变化太大产生的不利影响；

36、(7)本发明可依据原水水量、水质设置电容去离子单元串并联数量、调整电场强度、脉冲电场频率，有效地调控处理能力；

37、(8)本发明提供的装置还具有操作简便、结构简单、单元紧凑和占地面积小等优点。

技术特征：

1.利用包覆式复合材料去除钴离子的流通式电容去离子装置，其特征在于，包括依次叠层设置的上端板(1)、上垫片(2)、上集流板(3)、上绝缘垫圈(4)、ptfe隔膜(5)、下绝缘垫圈(6)、下集流板(7)、下垫片(9)和下端板(10)；

2.利用包覆式复合材料去除钴离子的流通式电容去离子装置，其特征在于，包括权利要求1所述的装置以及电源(11)、电导率仪(12)、用于放待处理溶液的储水容器(13)、蠕动泵(14)；

3.如权利要求1或2所述的利用包覆式复合材料去除钴离子的流通式电容去离子装置，其特征在于，所述下集流板(7)和下端板(10)之间设置有超滤膜(8)。

4.如权利要求1或2所述的利用包覆式复合材料去除钴离子的流通式电容去离子装置，其特征在于，所述钛板上的孔洞直径为200～500um；钛板厚度为0.4～0.7mm。

5.如权利要求1或2所述的利用包覆式复合材料去除钴离子的流通式电容去离子装置，其特征在于，所述正电极材料涂层制备方法为：

6.如权利要求1或2所述的利用包覆式复合材料去除钴离子的流通式电容去离子装置，其特征在于，所述负电极材料涂层制备方法为：

7.如权利要求1或2所述的利用包覆式复合材料去除钴离子的流通式电容去离子装置，其特征在于，所述正电极材料涂层在上集流板(3)上的涂覆量按照上集流板(3)上活性炭含量为2～5mg/cm2进行涂覆。

8.如权利要求1或2所述的利用包覆式复合材料去除钴离子的流通式电容去离子装置，其特征在于，所述负电极材料涂层在下集流板(7)上的涂覆量按照下集流板(7)上mo@zif-67含量约2～5mg/cm2进行涂覆。

9.如权利要求1或2所述的利用包覆式复合材料去除钴离子的流通式电容去离子装置，其特征在于，所述上集流板(3)和下集流板(7)之间的间距为1～3mm。

10.如权利要求1或2所述的利用包覆式复合材料去除钴离子的流通式电容去离子装置，其特征在于，所述电源(11)为直流脉冲电源。

技术总结
本发明公开了利用包覆式复合材料去除钴离子的流通式电容去离子装置，包括依次叠层设置的上端板、上垫片、上集流板、上绝缘垫圈、PTFE隔膜、下绝缘垫圈、下集流板、下垫片和下端板；上端板、上垫片、上集流板之间形成有出水腔室，下集流板、下垫片和下端板之间形成有进水腔室；下端板上设置有进水口，所述上端板上设置有出水口。本发明改变传统电容去离子系统进水方向，使水流垂直穿过阴阳集流板，多孔阴极集流板连接外接电源负极，作为阳极的活性炭涂层多孔集流板与正极相连以在电容去离子组件中形成电场，辅助阴极材料捕获目标带电体，强化系统离子去除效果，提高电极材料的有效利用率。

技术研发人员：王磊
受保护的技术使用者：西安金藏膜环保科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13