一種基于石墨烯的水處理裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于單層氧化鐵?石墨烯的電催化水處理裝置及方法，在制備過(guò)程中使本應(yīng)該使金屬電極失活的金屬氧化物成為具有催化活性的納米涂層，得到高效的污染物去除效果，該方法關(guān)鍵點(diǎn)在于合成單層氧化鐵，以及制作單層氧化鐵電極的工藝，使大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用成為可能，不僅如此，單層氧化鐵?石墨烯的多維電極對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染，針對(duì)不同的處理廢水可定制和改性，改裝版本的設(shè)備同樣適用于土壤修復(fù)，應(yīng)用范圍廣泛。
【專利說(shuō)明】
一種基于石墨烯的水處理裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及污水處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于單層氧化鐵-石墨烯的電催化水處理裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人類的活動(dòng)會(huì)使大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活廢棄物排入水中，使水受到污染，目前，全世界每年約有4200多億立方米的污水排入江河湖海，污染了 5.5萬(wàn)億立方米的淡水，這相當(dāng)于全球徑流總量的14%以上。
[0003]—般處理印染廢水采用高溫氧化、混凝氣浮、活性污泥和電化學(xué)等方法，其中電化學(xué)方法有可能較好的符合“清潔方法”的要求，電化學(xué)技術(shù)作為一種迅速發(fā)展的手段，在凈化環(huán)境的工作中日益顯出獨(dú)特的優(yōu)越性，電化學(xué)處理廢水一般無(wú)需很多化學(xué)藥品，后處理簡(jiǎn)單，占地面積小，管理方便，污泥量很少，故被稱為清潔處理法。
[0004]目前電催化陰極主要采用金屬電極，例如銀，銅，鐵;其中又以金屬鐵電極最為便宜因此應(yīng)用廣泛。然而，鐵或者其他金屬電極在使用過(guò)程中極易被氧化，在表面會(huì)附著一層金屬氧化物層，從而使處理效率大幅降低，甚至完全無(wú)法去除污染物。
[0005]為了解決上述問(wèn)題，專利CN103241796A和CN203513401U使用石墨烯材料結(jié)合金屬氧化物進(jìn)行微電解，雖然提高了吸附效果，然而該方法不能實(shí)現(xiàn)大量、低成本制備高質(zhì)量的石墨烯的需求，為大面積除污需要大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)帶來(lái)了難題，另外對(duì)陰極金屬的保護(hù)也未起到積極的效果；專利CN102070230A雖然也采用了三維電極氧化處理廢水，解決了鐵電解易氧化的問(wèn)題，但是由于采用的是鐵板作為犧牲陽(yáng)極，所需電壓5-20V，能耗不僅高，且僅能夠電解30cm2的污水，且更換和安裝都需要專業(yè)技術(shù)人員，無(wú)法滿足企業(yè)改裝和定制的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于為了解決上述問(wèn)題而提供一種既能夠根據(jù)不同的處理廢水和目標(biāo)選用改性的納米涂層材料，又能夠解決的金屬電極失活的低能耗污水處理方法，在制備過(guò)程中使本應(yīng)該使金屬電極失活的金屬氧化物成為具有催化活性的納米涂層，得到高效的污染物去除效果，該方法關(guān)鍵點(diǎn)在于合成單層氧化鐵，以及制作單層氧化鐵電極的工藝，使大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用成為可能，不僅如此，單層氧化鐵-石墨烯的多維電極對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染，針對(duì)不同的處理廢水可定制和改性，改裝版本的設(shè)備同樣適用于土壤修復(fù)，應(yīng)用范圍廣泛。
[0007]本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的基于石墨烯的水處理方法，其特征在于，
包括一反應(yīng)器裝置進(jìn)行污水處理，
所述反應(yīng)器裝置包括一反應(yīng)器、一蓋板、η個(gè)可移動(dòng)插板(η為大于3的整數(shù))、一進(jìn)水管、一出水管、一濾芯、一控制盒和一直流電源。
[0008]所述反應(yīng)器裝置的反應(yīng)器用聚乙烯板制成，具有一定容積，內(nèi)裝有填料，所述蓋板位于反應(yīng)器之上，蓋板與反應(yīng)器連接位置處對(duì)稱布置微壓力傳感器。
[0009]可移動(dòng)插板等間距布設(shè)在蓋板的插槽上，可移動(dòng)插板內(nèi)裝有金屬氧化物電極(單層氧化鐵電極)產(chǎn)品，可移動(dòng)插板和蓋板與直流電源之間采用有線電連接，石墨電極分別緊貼在反應(yīng)器兩側(cè)的壁上，與直流電源電線連接。
[0010]反應(yīng)器兩端分別連接一出水管和進(jìn)水管，所述濾芯位于出水管和反應(yīng)器之間，所述控制盒控制進(jìn)水閥的開關(guān)以及直流電源的開關(guān)，以及將測(cè)水量數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)進(jìn)水量、通電時(shí)間和除污效果打印報(bào)告。
[0011]所述濾芯由多孔骨材和纏繞在其上的粗紗組成，粗紗中含有聚苯硫醚纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維、聚酰胺纖維、棉纖維中的一種或幾種，
有效容積為1L，填料采用ZK30活性炭填料。
[0012]所述微壓力傳感器為四個(gè)，均勻布置在反應(yīng)器邊沿，控制盒實(shí)時(shí)采集壓力傳感器信號(hào)，并傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)所測(cè)壓力判斷金屬氧化物電極的使用狀況，當(dāng)金屬氧化物電極的重量變化超過(guò)預(yù)設(shè)值，控制盒發(fā)出預(yù)警信息，提示用戶更換可移動(dòng)插板內(nèi)的納米合成金屬氧化物電極產(chǎn)品。
[0013]直流電源電壓為I?2伏。
[0014]所述金屬氧化物電極為單層氧化鐵電極。
[0015]—種基于石墨稀合成單層金屬氧化物的制備方法，其特征在于:包括預(yù)處理、合成單層氧化鐵、制作單層氧化鐵電極。
[0016]預(yù)處理包括堿洗、噴砂和刻蝕步驟；
第1.1步堿洗:為了去除鐵板表面的油漬，將乳制打磨后的鐵板放入沸騰的5%Na--2C03溶液中，保持Ih，取出后在80° C等離子清洗機(jī)中清洗5min;
第1.2步噴砂:除去表面的氧化膜，露出金屬表面，并使表面粗化，提高表面積，在金剛砂粒度為120-150μπι、空氣壓力為3.5 X 15Pa的條件下將表面清潔平整的純鐵板進(jìn)行噴砂處理，噴砂后用大量的自來(lái)水清洗，再用去離子水清洗，以除去表面殘留的砂粒和金屬肩；第1.3刻蝕步:為了獲得均勻的腐蝕坑，將鐵板放入10%草酸溶液中進(jìn)行刻蝕，在95° C保持2h，取出后放入80° C等離子清洗機(jī)中清洗1分鐘，烘干。
[0017]合成單層氧化鐵步驟包括:
第2.1步合成單層氧化鐵-石墨烯GRC12:將含有月桂酸的亞鐵溶液在控制酸堿度的條件下緩慢氧化，得到的單層氧化鐵-石墨烯GRC12在控氧條件下用酒精清洗后冷凍干燥；
第2.2步氧化單層氧化鐵-石墨烯GRC12:將干燥好的單層氧化鐵-石墨烯GRC12暴露在空間中，適度氧化；
第2.3步分層氧化后的單層氧化鐵-石墨烯GRC12得到單層氧化鐵:將氧化后的單層氧化鐵-石墨烯GRCl2分散在NaOH溶液中，得到的懸濁液經(jīng)過(guò)酒精溶液清洗干凈后，即可得到單層氧化鐵溶液。
[0018]制作單層氧化鐵電極步驟包括:
第3.1步二維電極制作:氧化銦錫電極首先在聚二甲基二烯丙基氯化銨浸泡充分，清水沖洗后在單層氧化鐵溶液浸泡，即可得到一層氧化鐵電極;重復(fù)以上步驟，即可得到多層氧化鐵電極； 第3.2步多維電極制作:在傳統(tǒng)的二維電解電極間裝填工作電極，形成多維電極結(jié)構(gòu)，而工作電極的鍍層方法采用第2.1步所述方法；
第3.3步單層氧化鐵-石墨烯電極多維電極制作:利用層層組合法，交替的度上單層氧化鐵和石墨烯，采用第2.1步所述方法。
[0019]本發(fā)明的有益效果在于:在使用單層氧化鐵電極作為電催化陰極的供給，由于使金屬電極失活的金屬氧化物成為具有催化活性的納米涂層，得到高效的污染物去除效果，有利于企業(yè)大范圍除污，另外，由于采用微壓力傳感器測(cè)量電極的重量的變化，使安裝、運(yùn)行和維護(hù)簡(jiǎn)單，無(wú)需專業(yè)人員，減少由于未及時(shí)更換合成電極產(chǎn)品而長(zhǎng)時(shí)間滯留的現(xiàn)象，能夠針對(duì)不同的處理廢水提供最優(yōu)化處理方案，適用范圍廣泛;另外有控制盒的存在，在電源電壓異常時(shí)，能及時(shí)報(bào)警，防止過(guò)大電壓對(duì)電極的損壞;此外，改裝版本的設(shè)備同樣適用于土壤修復(fù)，應(yīng)用范圍廣泛。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]1.反應(yīng)器;2.進(jìn)水管;3.直流電源;4.可移動(dòng)插板;5.單層氧化鐵電極;6.蓋板;7.控制盒;8.計(jì)算機(jī);9.濾芯；10.出水管；11.微壓力傳感器;12.進(jìn)水閥。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明:
包括一反應(yīng)器裝置進(jìn)行污水處理，
所述反應(yīng)器裝置包括一反應(yīng)器1、一蓋板6、n個(gè)可移動(dòng)插板4(n為大于3的整數(shù))、一進(jìn)水管2、一出水管10、一濾芯9、一控制盒7和一直流電源3。
[0023]所述反應(yīng)器裝置的反應(yīng)器I用聚乙烯板制成，具有一定容積，內(nèi)裝有填料，所述蓋板6位于反應(yīng)器I之上，蓋板6與反應(yīng)器I連接位置處對(duì)稱布置微壓力傳感器11。
[0024]可移動(dòng)插板4等間距布設(shè)在蓋板6的插槽上，可移動(dòng)插板4內(nèi)裝有金屬氧化物電極5(單層氧化鐵電極)產(chǎn)品，可移動(dòng)插板4和蓋板6與直流電源3之間采用有線電連接，石墨電極分別緊貼在反應(yīng)器兩側(cè)的壁上，與直流電源3電線連接。
[0025]反應(yīng)器I兩端分別連接一出水管10和進(jìn)水管2，所述濾芯9位于出水管10和反應(yīng)器I之間，所述控制盒7控制進(jìn)水閥2的開關(guān)以及直流電源3的開關(guān)，以及將測(cè)水量數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)8，計(jì)算機(jī)8根據(jù)進(jìn)水量、通電時(shí)間和除污效果打印報(bào)告。
[0026]所述濾芯9由多孔骨材和纏繞在其上的粗紗組成，粗紗中含有聚苯硫醚纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維、聚酰胺纖維、棉纖維中的一種或幾種。
[0027]有效容積為1L，填料采用ZK30活性炭填料。
[0028]所述微壓力傳感器11為四個(gè)，均勻布置在反應(yīng)器I邊沿，控制盒7實(shí)時(shí)采集壓力傳感器信號(hào)，并傳輸給計(jì)算機(jī)8，計(jì)算機(jī)8根據(jù)所測(cè)壓力判斷金屬氧化物電極的使用狀況，當(dāng)金屬氧化物電極5的重量變化超過(guò)預(yù)設(shè)值，控制盒7發(fā)出預(yù)警信息，提示用戶更換可移動(dòng)插板4內(nèi)的納米合成金屬氧化物電極5產(chǎn)品。
[0029]直流電源3電壓為I?2伏。
[0030]所述金屬氧化物電極為單層氧化鐵電極。[0031 ] 一種基于石墨稀合成單層金屬氧化物的制備方法，其特征在于:包括預(yù)處理、合成單層氧化鐵、制作單層氧化鐵電極。
[0032]預(yù)處理包括堿洗、噴砂和刻蝕步驟；
第I.I步堿洗:為了去除鐵板表面的油漬，將乳制打磨后的鐵板放入沸騰的5%Na--2C03溶液中，保持Ih，取出后在80° C等離子清洗機(jī)中清洗5min;
第1.2步噴砂:除去表面的氧化膜，露出金屬表面，并使表面粗化，提高表面積，在金剛砂粒度為120-150μπι、空氣壓力為3.5 X 15Pa的條件下將表面清潔平整的純鐵板進(jìn)行噴砂處理，噴砂后用大量的自來(lái)水清洗，再用去離子水清洗，以除去表面殘留的砂粒和金屬肩；第1.3刻蝕步:為了獲得均勻的腐蝕坑，將鐵板放入10%草酸溶液中進(jìn)行刻蝕，在95° C保持2h，取出后放入80° C等離子清洗機(jī)中清洗1分鐘，烘干。
[0033]合成單層氧化鐵步驟包括:
第2.1步合成GRC12:將含有月桂酸的亞鐵溶液在控制酸堿度的條件下緩慢氧化，得到的GRC12在控氧條件下用酒精清洗后冷凍干燥；
第2.2步氧化GRC12:將干燥好的GRC12暴露在空間中，適度氧化；
第2.3步分層氧化后的6此12得到單層氧化鐵:將氧化后的61^12分散在NaOH溶液中.得到的懸濁液經(jīng)過(guò)酒精溶液清洗干凈后，即可得到單層氧化鐵溶液。
[0034]制作單層氧化鐵電極步驟包括:
第3.1步二維電極制作:氧化銦錫電極首先在聚二甲基二烯丙基氯化銨浸泡充分，清水沖洗后在單層氧化鐵溶液浸泡，即可得到一層氧化鐵電極;重復(fù)以上步驟，即可得到多層氧化鐵電極；
第3.2步多維電極制作:在傳統(tǒng)的二維電解電極間裝填工作電極，形成多維電極結(jié)構(gòu)，而工作電極的鍍層方法采用第2.1步所述方法；
第3.3步單層氧化鐵-石墨烯電極多維電極制作:利用層層組合法，交替的度上單層氧化鐵和石墨烯，采用第2.1步所述方法。
[0035]本發(fā)明是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，故實(shí)施過(guò)程中借鑒了現(xiàn)有技術(shù)，限于篇幅，未對(duì)現(xiàn)有技術(shù)部分進(jìn)行詳細(xì)描述;凡是本發(fā)明未提及的技術(shù)部分，均可以采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
[0036]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于石墨烯的水處理裝置，其特征在于， 包括一反應(yīng)器裝置進(jìn)行污水處理， 所述反應(yīng)器裝置包括一反應(yīng)器、一蓋板、η個(gè)可移動(dòng)插板(η為大于3的整數(shù))、一進(jìn)水管、一出水管、一濾芯、微壓力傳感器、一控制盒和一直流電源， 所述反應(yīng)器裝置的反應(yīng)器用聚乙烯板制成，具有一定容積，內(nèi)裝有填料，所述蓋板位于反應(yīng)器之上，蓋板與反應(yīng)器連接位置處對(duì)稱布置微壓力傳感器， 可移動(dòng)插板等間距布設(shè)在蓋板的插槽上，可移動(dòng)插板內(nèi)裝有納米合成金屬氧化物電極產(chǎn)品，可移動(dòng)插板和蓋板與直流電源之間采用有線電連接，石墨電極分別緊貼在反應(yīng)器兩側(cè)的壁上，與直流電源電線連接， 反應(yīng)器兩端分別連接一出水管和進(jìn)水管，所述濾芯位于出水管和反應(yīng)器之間，所述控制盒控制進(jìn)水閥的開關(guān)以及直流電源的開關(guān)，以及將測(cè)水量數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)進(jìn)水量、通電時(shí)間和除污效果打印報(bào)告。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的水處理裝置，其特征在于， 所述金屬氧化物電極為單層氧化鐵電極;所述濾芯由多孔骨材和纏繞在其上的粗紗組成，粗紗中含有聚苯硫醚纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維、聚酰胺纖維、棉纖維中的一種或幾種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的水處理裝置，其特征在于 所述微壓力傳感器為四個(gè)，均勻布置在反應(yīng)器邊沿，控制盒實(shí)時(shí)采集壓力傳感器信號(hào)，并傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)所測(cè)壓力判斷金屬氧化物電極的使用狀況，當(dāng)金屬氧化物電極的重量變化超過(guò)預(yù)設(shè)值，控制盒發(fā)出預(yù)警信息，提示用戶更換可移動(dòng)插板內(nèi)的納米合成金屬氧化物電極產(chǎn)品。4.一種利用權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的基于石墨烯的水處理裝置進(jìn)行水處理的方法，其特征在于， 所述納米合成金屬氧化物電極產(chǎn)品是基于石墨烯合成得到單層金屬氧化物，包括預(yù)處理、合成單層氧化鐵以及制作單層氧化鐵電極。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于， 預(yù)處理包括堿洗、噴砂和刻蝕步驟； 第1.1步堿洗:為了去除鐵板表面的油漬，將乳制打磨后的鐵板放入沸騰的5%Na—2C03溶液中，保持Ih，取出后在80° C等離子清洗機(jī)中清洗5min;第1.2步噴砂:除去表面的氧化膜，露出金屬表面，并使表面粗化，提高表面積，在金剛砂粒度為120-150μπι、空氣壓力為3.5 X 15Pa的條件下將表面清潔平整的純鐵板進(jìn)行噴砂處理，噴砂后用大量的自來(lái)水清洗，再用去離子水清洗，以除去表面殘留的砂粒和金屬肩；第1.3刻蝕步:為了獲得均勻的腐蝕坑，將鐵板放入10%草酸溶液中進(jìn)行刻蝕，在95° C保持2h，取出后放入80° C等離子清洗機(jī)中清洗1分鐘，烘干。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，合成單層氧化鐵步驟包括: 第2.1步合成單層氧化鐵-石墨烯GRC12:將含有月桂酸的亞鐵溶液在控制酸堿度的條件下緩慢氧化，得到的單層氧化鐵-石墨烯GRC12在控氧條件下用酒精清洗后冷凍干燥； 第2.2步氧化單層氧化鐵-石墨烯GRC12:將干燥好的GRC12暴露在空間中，適度氧化； 第2.3步分層氧化后的單層氧化鐵-石墨烯GRC12得到單層氧化鐵:將氧化后的單層氧化鐵-石墨烯GRC12分散在NaOH溶液中，得到的懸濁液經(jīng)過(guò)酒精溶液清洗干凈后，即可得到單層氧化鐵溶液。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，制作單層氧化鐵電極步驟包括: 第3.1步二維電極制作:氧化銦錫電極首先在聚二甲基二烯丙基氯化銨浸泡充分，清水沖洗后在單層氧化鐵溶液浸泡，即可得到一層氧化鐵電極;重復(fù)以上步驟，即可得到多層氧化鐵電極； 第3.2步多維電極制作:在傳統(tǒng)的二維電解電極間裝填工作電極，形成多維電極結(jié)構(gòu)，而工作電極的鍍層方法采用第2.1步所述方法； 第3.3步單層氧化鐵-石墨烯電極多維電極制作:利用層層組合法，交替的度上單層氧化鐵和石墨烯，采用第2.1步所述方法。
【文檔編號(hào)】C02F1/461GK105836851SQ201510718475
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2015年10月29日
【發(fā)明人】黃理志
【申請(qǐng)人】黃理志