一种膜电极、设备及方法技术

本申请涉及环境工程污水资源化技术领域，具体涉及一种膜电极、设备及方法，其中，所述膜电极包括：支撑层；编织到所述支撑层的多个微孔纤维膜丝，所述微孔纤维膜丝和所述支撑层的表面覆盖有导电材料，其中，所述微孔纤维膜丝的孔径的内径为100

【技术实现步骤摘要】
一种膜电极、设备及方法


[0001]本申请涉及环境工程污水资源化
，尤其涉及一种膜电极、设备及方法。

技术介绍

[0002]伴随着我国经济社会的建设水平不断提升，基础资源的利用效率和回收情况愈加被人们重视，其中，污水的处理与再利用是其中最引人注目的建设项目之一。将生活污水的有机物转化为资源、能源回收并利用是生活污水处理的重要发展方向。然而目前生活污水处理大多采用传统的活性污泥处理法，这种处理不仅仅需要消耗大量的电能(生化过程曝气所消耗的电能占一半污水处理总消耗电能的50％)，同时还将污水中的有机物转化成二氧化碳直接排放，未能实现污水的资源化。
[0003]而微生物电化学技术是一种新型和高效率的生活污水修复工艺，可以加快生活污水沉积物中毒性有机污染物的去除效率，特别是对高分子量、毒性较强以及难以降解的有机污染物的分解去除具有非常显著的效果，故而受到高度重视。且微生物电化学技术可以利用微生物过程将污水有机质转化为能源，实现污水资源化，既减少了污水处理的成本，又降低了污水处理过程中温室效应气体(二氧化碳)的排放。
[0004]微生物电化学技术(Microbial Electrochemical Technology,MET)能利用阳极微生物进行新陈代谢降解有机物并导出电子至阳极,随后阳极收集的电子经外电路参与阴极还原反应形成电流,并实现能量输出。以乙酸降解为例,有机物在阳极室反应释放电子,而阴极则发生氧还原反应消耗电子完成回路,其电极反应为:
[0005]阳极：CH3COO
‑
>+4H2O
→
2HCO3‑
+9H
+
+8e
[0006]阴极：O2+4H
+
+4e
→
2H2O
[0007]但是上述微生物电化学装置中采用的空气阴极一般为普通碳布空气阴极，碳布空气阴极单位体积的表面积小、空气传质速率慢、对水压的承载能力弱，限制了微生物电化学装置在实际生产中的应用。

技术实现思路

[0008]为了解决上述的问题，本申请的实施例中提供了一种膜电极、设备及方法，本申请所提供的电极具有较大的表面积、空气传质快、对水压的承载能力强。
[0009]为此，本申请的实施例中采用如下技术方案：
[0010]第一方面，本申请提供一种膜电极，所述膜电极包括：
[0011]支撑层；
[0012]编织到所述支撑层的多个微孔纤维膜丝，所述微孔纤维膜丝和所述支撑层的表面覆盖有导电材料，其中，所述微孔纤维膜丝的孔径的内径为100
‑
1000μm、外径为100
‑
1000μm，所述微孔纤维膜丝的壁厚为10
‑
100μm，所述多个微孔纤维膜丝并列设置。
[0013]优选的，所述导电材料为包覆有聚偏二氟乙烯的粉末状导体；其中，所述导体包括多壁碳纳米管和/或活性炭粉末；所述多壁碳纳米管的外径为20～30nm。
[0014]优选的，每立方米所述膜电极覆盖有11.5g/m2多壁碳纳米管和10.5g/m2活性炭粉末。
[0015]优选的，所述微孔纤维膜丝为中空纤维微孔膜；所述微孔纤维膜丝的孔径的内径为350μm、外径为450μm，所述微孔纤维膜丝的壁厚为50μm，长度为16
‑
20cm。
[0016]优选的，所述中空纤维微孔膜为聚丙烯中空纤维微孔膜、聚二甲基硅氧烷中空纤维微孔膜、聚偏二氟乙烯膜中的任意一种。
[0017]优选的，所述多个微孔纤维膜丝中微孔纤维膜丝的数量不少于20个。
[0018]第二方面，本申请提供一种制备上述膜电极的方法，包括如下步骤：
[0019](1)，将导电材料喷涂到微孔纤维膜丝表面，得到覆盖有导电材料的微孔膜；其中，所述微孔纤维膜丝的孔径的内径为100
‑
1000μm、外径为100
‑
1000μm，所述微孔纤维膜丝的壁厚为10
‑
100μm；
[0020](2)，将所述覆盖有导电材料的微孔膜编织到支撑层，得到所述膜电极前体；
[0021](3)，向所述膜电极前体的两侧分别喷涂导电材料，得到所述膜电极。
[0022]优选的，所述方法还包括：按照1:200wt％的比例，将聚偏二氟乙烯粉末分散在溶液中，得到混合液；然后，按照1:100wt％的比例，将粉末状导体添加到所述混合液中，得到复合材料混合液；其中，所述导体包括多壁碳纳米管和/或活性炭粉末；所述多壁碳纳米管的外径为20～30nm；所述溶液为N,N
‑
二甲基甲酰胺、二甲亚砜或N,N
‑
二甲基乙酰胺中的任意一种；
[0023]在所述步骤(1)中，将所述复合材料混合液喷涂到微孔纤维膜丝表面，得到覆盖有导电材料的微孔膜前体；将所述覆盖有导电材料的微孔膜前体烘干，得到所述覆盖有导电材料的微孔膜。
[0024]优选的，在所述步骤(2)中，将所述膜电极浸没在1％的聚乙烯醇溶液中，然后取出并在胶醛和盐酸中交联；
[0025]所述将聚偏二氟乙烯粉末分散在溶液中，得到混合液包括：将聚偏二氟乙烯粉末分散在溶液中，进行超声处理，得到混合液；其中，所述超时处理的功率为40kHz，超声时间为30分钟。
[0026]第三方面，本申请提供一种微生物电化学装置，包括：阳极和阴极，其中，所述阴极由上述的膜电极构成。
[0027]与现有的基于碳布的空气阴极相比，本申请的有益效果在于：
[0028](1)中空纤维微孔膜具有良好的通透性，本申请采用多根中空纤维微孔膜制作膜电极，可以有效增加膜电极单位体积内的表面积、加快气体传质速率，为阴极还原反应提供足够的电子受体；
[0029](2)通过喷涂导电材料，导电材料包括碳纳米管、活性炭粉末，可以将绝缘的中空纤维微孔膜改性为导电性良好的电极；
[0030](3)在膜电极表面构建微观水、气、固三相界面，促进电子、质子与电子受体间的反应，提高产电效率和有机污染物的去除效率；
[0031](4)本申请采用中空纤维微孔膜，可以显著增加阴极的水压承载能力(≤0.3Mpa)，并将纤维微孔膜编织在不锈钢网上，进一步增加中空纤维微孔膜的导电性，提高整个电极的机械强度；
[0032](5)聚乙烯醇与胶醛(戊二醛)在酸性条件下交联后的产物包覆在膜电极的表面，能够进一步提高膜电极的稳定性、导电性和结构强度。
[0033]综上，将本申请的中空纤维微孔膜电极应用到微生物电化学装置中，可以有效克服普通碳布空气阴极单位体积的表面积小、空气传质速率慢、对水压的承载能力弱等问题，有助于提高污水中污染物的去除效率和产电效率，可进一步推动电化学技术在污水处理中的应用和污水资源化。
附图说明
[0034]为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种膜电极，其特征在于，所述膜电极包括：支撑层；编织到所述支撑层的多个微孔纤维膜丝，所述微孔纤维膜丝和所述支撑层的表面覆盖有导电材料，其中，所述微孔纤维膜丝的孔径的内径为100
‑
1000μm、外径为100
‑
1000μm，所述微孔纤维膜丝的壁厚为10
‑
100μm，所述多个微孔纤维膜丝并列设置。2.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述导电材料为包覆有聚偏二氟乙烯的粉末状导体；其中，所述导体包括多壁碳纳米管和/或活性炭粉末；所述多壁碳纳米管的外径为20～30nm。3.根据权利要求2所述的膜电极，其特征在于，每立方米所述膜电极覆盖有11.5g/m2多壁碳纳米管和10.5g/m2活性炭粉末。4.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述微孔纤维膜丝为中空纤维微孔膜；所述微孔纤维膜丝的孔径的内径为350μm、外径为450μm，所述微孔纤维膜丝的壁厚为50μm，长度为16
‑
20cm。5.根据权利要求4所述的膜电极，其特征在于，所述中空纤维微孔膜为聚丙烯中空纤维微孔膜、聚二甲基硅氧烷中空纤维微孔膜、聚偏二氟乙烯膜中的任意一种。6.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述多个微孔纤维膜丝中微孔纤维膜丝的数量不少于20个。7.一种制备权利要求1
‑
6中任一项所述膜电极的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)，将导电材料喷涂到微孔纤维膜丝表面，得到覆盖有导电材料的微孔膜；其中，所述微孔纤维膜丝的孔径的内径为10...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈思铭，侯典训，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：