專利名稱：一種石墨烯凈化污水組合裝置及其凈化污水的方法
技術領域：
本發明涉及凈化污水技術領域，尤其涉及一種石墨烯凈化污水組合裝置及其凈化污水的方法。
背景技術：
隨著社會的發展，工業廢液、生活廢液處理已成為一項非常嚴峻的社會任務。為了節約水資源，保護自然環境，我國對工業廢液的排放有嚴格要求，對各種廢液的循環利用亦是非常重視。目前，人們常用吸附技術處理污水，吸附技術是指用活性炭等吸附材料對水中各種污染物進行吸附，以降低水中污染物濃度，但其吸附能力一般，再生困難。近年來，科學家發現石墨烯有著巨大的比表面積，而且這種功能化石墨烯對萘和萘酚等化學物質的吸附能力達到了每克2.4毫摩爾，對石油類物質的吸附能力達每克吸附86克，是目前吸附能力最高的材料。且石墨烯作為催化劑的載體，表現出極其出色的電子傳輸能力，能大大加快反應速度，利用石墨烯這種高效吸附性和電子傳輸特性，能高效分解水中的有機污染物。單層石墨烯的吸附容量比未剝離的多層石墨烯的吸附污染量大得多，但是因單層石墨烯制備復雜且費用高昂，沒有良好的負載材料，且沒有將多層石墨烯高效、簡便的分離成單層石墨烯的分離設備，因此，石墨烯難以有效地應用于污水防治的領域中。超聲波是指頻率高于20 kHz的聲波。當一定強度的超聲波通過媒體時，會產生一系列的物理、化學效應。它既能清洗物體表面污垢，又能用來分解水中難降解的有毒有機污染物和殺菌。目前超聲波技術在石墨烯制備領域得到應用，但在凈化污水設備上則未見報道。
膜分離技術是一種由膜分離單元與主體處理單元相結合的水處理技術，以膜組件取代二沉池等分離設備在反應器中保持高物料濃度，可提高反應速度，避免催化劑流失，減少污水處理設施占地，并減少污泥量。與傳統的分離處理技術相比具有以下優點:處理效率高、出水水質好；設備緊湊、占地面積小；易實現自動控制、運行管理簡單。80年代以來，該技術愈來愈受到重視，成為研究的熱點之一。國內外眾多研究表明，膜分離對各種高濃度有機廢水與難降解廢水的COD、NH3-N, SS、濁度等都達到良好的去除效果。目前，尚未有將石墨烯結合超聲波、催化劑、膜分離技術結合應用于污水凈化處理的技術。因此，亟需針對現有技術的缺陷，提供一種高效、簡便地利用石墨烯來進行污水凈化的裝置及污水凈化方法。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，而提供一種高效、穩定、操作維護簡便的石墨烯凈化污水組合裝置。本發明的另一目的在于針對現有技術的不足，而提供石墨烯凈化污水的方法。
本發明的目的之一是通過以下技術方案來實現的。一種石墨烯凈化污水組合裝置，它包括反應器、超聲波發生裝置和膜分離器；所述超聲波發生裝置與所述反應器連接；所述反應器的出水端與所述膜分離器的進水端連接；所述反應器內設置有催化劑和多層石墨烯。進一步的，它還包括用于產生紫外光的微波發生裝置，所述微波發生裝置設置于所述反應器內。其中，所述微波發生裝置包括微波發生器和紫外燈，所述紫外燈設置于所述微波發生器的下方。其中，所述超聲波發生 裝置包括超聲波發生器和超聲震板，所述超聲波發生器設置于反應器外，所述超聲震板設置于所述反應器的內壁，所述超聲波發生器與超聲震板連接。其中，所述超聲波發生器為多頻超聲波發生器。其中，所述超聲震板設置兩塊以上，兩塊以上的所述超聲震板均勻地設置于所述反應器的內壁。進一步的，它還包括風機，所述風機與所述反應器連接。進一步的，它還包括曝氣裝置，所述曝氣裝置設置于所述反應器的內腔的底部，所述風機與所述曝氣裝置連接。更進一步的，它還包括水泵和液位控制器，所述水泵的進水端與所述膜分離器的出水端連接；所述液位控制器設置于所述反應器內。本發明的另一目的是通過以下技術方案來實現的。一種石墨烯凈化污水組合裝置凈化污水的方法，它包括以下步驟:
a.往反應器中投入多層石墨烯及催化劑，污水輸入至反應器中，空氣進入反應器；
b.超聲波發生裝置產生超聲波，超聲波將多層石墨烯剝離為單層石墨烯，單層石墨烯和催化劑分解污水的污染物；
c.經步驟b處理后的水體進入膜分離器；
d.水體從膜分離器中排出。其中，所述步驟b具體為:超聲波發生裝置產生超聲波，超聲波將多層石墨烯剝離為單層石墨烯，單層石墨烯和催化劑分解污水的污染物；與此同時，微波發生裝置產生紫外光，紫外光輻射空氣產生臭氧，臭氧協同單層石墨烯和催化劑分解污染物，殺菌消毒。本發明的有益效果為:本發明的石墨烯凈化污水組合裝置具有以下優點:
1、本發明通過超聲波發生裝置、石墨烯、催化劑和膜分離器組合成一體式的組合裝置對污水進行處理，超聲波發生裝置作用到多層石墨烯和催化劑的表面，同時實現使多層石墨烯剝離為單層石墨烯、促進催化劑分解和分解污染物的目的，剝離后的單層石墨烯的吸附容量比未剝離的多層石墨烯吸附污染量大得多，協同催化效果也好得多。2、本發明的超聲波發生裝置采用多頻超聲波發生器，不同超聲頻率組合能產生1+1+1 > 3的效果。3、本發明采用外置式膜分離器，既能截留石墨烯、催化劑，又能截留大分子污染物，令其始終停留在反應器內直到被分解成小分子(或徹底分解成C02、H2O),并避免后續化學清洗對反應器內關鍵設備的影響。4、本發明具有結構簡單、運行穩定、操作維護簡便的特點，可通過多種物理場的協同作用，令處理能力空前強大，因此特別適用有毒有害物質的分解、液體殺菌消毒、突發水污染事件時的應急處理等水處理場合，以及適應更嚴格排放標準的現有污水處理系統提標改造，具有占地少、投資省、節能、簡單實用等優點。本發明的石墨烯凈化污水組合裝置凈化污水的方法具有以下優點:
1、能連續或間歇處理各種液體，實現超快速分解污染物和消毒殺菌的目的。2、操作簡單，幾乎無須補充石墨烯、催化劑和氧化劑的步驟，大大降低了運行費用。
圖1為本發明的實施例一的石墨烯凈化污水組合裝置結構示意圖。圖2為本發明的實施例二的石墨烯凈化污水組合裝置結構示意圖。附圖標記包括:
I一超聲波發生裝置2—反應器 3—膜分離器4一微波發生裝置
5—曝氣裝置6—風機
7—水泵8—液位控制器 11一超聲波發生器12—超聲波震板 31—膜組件
41 一微波發生器 42—紫外燈。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的說明。實施例一。如圖1所示，本實施例的一種石墨烯凈化污水組合裝置，它包括超聲波發生裝置
1、反應器2、膜分離器3、風機6和水泵7 ;超聲波發生裝置I與反應器2連接，超聲波發生裝置I包括超聲波發生器11和超聲震板12，超聲波發生器11設置于反應器2外，超聲震板12設置于反應器2的內壁，超聲波發生器11與超聲震板12連接；風機6與反應器2連接，反應器2內設置有催化劑和多層石墨烯；反應器2的出水端與膜分離器3的進水端連接，膜分離器3內設置有用于過濾的膜組件31 ;水泵7的進水端與所述膜分離器3的出水端連接。本發明的工作原理:在污水進入反應器2內，空氣通過風機6送入反應器2的底部，氣體和液體均與石墨烯和催化劑的表面接觸，在超聲波發生裝置I發出的超聲波作用下，本發明對水中的有毒有害物質進行分解，對細菌、藻類等微生物進行快速殺滅，處理后的水從分置的膜分離器3用水泵7排出，而石墨烯、催化劑和大分子污染物被截留在反應器2內。本發明可結合其他物理場，如微波、紫外光、電場等，連同氧化劑，配合超聲波、石墨烯、催化劑，獲得超強的污染物分解能力，視情況也可直接采用太陽光配合反應。本發明通過超聲波發生裝置1、石墨烯、催化劑及膜分離器3組合成一體式的組合裝置，對污水進行處理，可加速污染物的分解，高效處理污染物，本發明能連續或間歇處理各種液體，實現超快速分解污染物和消毒殺菌的目的；且具有結構簡單、運行穩定、操作維護簡便的特點。優選地，本發明所用的催化劑一般為固體催化劑，如金屬催化劑，優選為TiO215TiO2氧化能力強，化學性質穩定無毒，TiO2等在紫外線的照射下被激活，當能量大于或等于半導體帶隙能的光波(hv)福射TiO2時，TiO2價帶(VB)上的電子吸收光能(hv)后被激發到導帶(CB)上，使導帶上產生激發態電子(e_)，而在價帶(VB)上產生帶正電荷的空穴(h+)。e_與吸附在TiO2顆粒表面上的O2發生還原反應，生成O2' (Γ與H+進一步反應生成H2O2，而h+與H20、OH^發生氧化反應生成高活性的.0Η，H2O2,.0Η把吸附在TiO2表面上的有機污染物(簡稱為R)降解為C02、H2O等,把有毒有害的污染物(簡稱為B)氧化或還原為無害物,并殺滅細菌病毒。本發明的石墨烯與催化劑也為石墨烯復合二氧化鈦催化劑的形式存在等。本發明的超聲波發生器11產生的超聲波，通過超聲震板12，作用到多層石墨烯和催化劑等表面時，超聲波既有助剝離多層石墨烯、又可強化傳質促進催化氧化，實現快速分解污染物和殺菌消毒。在超聲波空化作用產生的局部高溫、高壓作用下，溶液產生空化泡并迅速崩潰，整個過程發生在ns-μ s時間內，從而在空化泡內產生異常的高溫(高于5000K)和高壓(高于50MPa)，可逐漸把多層石墨烯剝離為單層石墨烯，單層石墨烯的吸附和助催化能力大大提升，且作為催化劑的載體，表現出極其出色的電子傳輸能力，能大大加快反應速度，污水凈化效果得到顯著提升。本發明的超聲波發生器11為多頻超聲波發生器，不同超聲頻率組合能產生1+1+1> 3的效果，同時實現剝離多層石墨烯、促進催化劑分解和分解污染物的目的，剝離后的單層石墨烯的吸附容量比未剝離的多層石墨烯吸附污染量大得多，協同催化效果也好得多。本發明的膜分離器3既能截留石墨烯，又能截留大分子污染物，令其污染物始終停留在反應器2內直到被分解成小分子(或徹底分解成C02、H20)，并避免后續化學清洗對反應器2內關鍵設備的影響。膜分離器3可使反應器2保持穩定的反應速度，避免催化劑流失，處理效率高、出水水質好；且設備緊湊、占地面積小，還易于實現自動控制、運行管理簡單。本發明還包括曝氣裝置5，所述曝氣裝置5設置于所述反應器2的內腔的底部，所述風機6與所述曝氣裝置5連接。曝氣裝置5可使臭氧和空氣迅速、均勻地彌漫到反應器2內，進一步加快污染物的分解速度。本實施例中，還包括液位控制器8，所述液位控制器8設置于反應器2內。液位控制器8便于監控反應器2內液面的高低，利于控制反應器2的負荷量，使本發明可持續穩定高效的處理污水。實施例二。如圖2所示，本實施例與實施例一的不同之處在于:本實施例還包括用于產生紫外光的微波發生裝置4，所述微波發生裝置4設置于所述反應器2內。微波發生裝置4包括微波發生器41和紫外燈42，所述紫外燈42設置于所述微波發生器41的下方。本發明的工作原理:在污水進入反應器2內，空氣通過風機6送入反應器2的底部，微波發生器41激發紫外燈42發出紫外線，對風機6工作時吸入的空氣輻射產生高濃度臭氧，紫外燈42與風機6連接，臭氧和空氣被風機6 —起送入反應器2的底部，氣體和液體均與石墨烯和催化劑的表 面接觸，在發出的超聲波及紫外線的共同作用下，對水中的有毒有害物質進行分解，對細菌、藻類等微生物進行快速殺滅，經反應器2處理后的水從反應器2的中部流至分置的膜分離器3，并用水泵7將經膜分離器3處理的水排出，而石墨烯、催化劑和大分子污染物被截留并經膜分離器3的底部回流至反應器2內。本發明的微波發生器41激發紫外燈42產生紫外光，做成無極紫外燈42，波長為17(T200nm，對污染物的分解率大大提高；且燈管內可用氪等惰性氣體代替汞作為填充氣體，從而避免引起汞二次污染。另外，無極紫外燈42的發光功率一般在200瓦以上，與目前市場上的紫外線消毒燈相比，發光功率大為提高，同等處理效果下無極紫外燈42更節能。在微波發生裝置4產生紫外光的同時，通入空氣能產生臭氧，由于臭氧是一種強氧化劑，能迅速彌漫到整個反應器2，其分解有毒有害物質的能力極強。由此，可省去昂貴的臭氧發生設備投資，大大減少氧化劑的使用，紫外光、臭氧聯合將彌補各自不足，從而產生超強分解污染物、殺菌消毒效果。另外，通過超聲波發生裝置I的超聲波作用，還可以清潔微波發生裝置4的表面，防止其積垢。本實施例其它結構與實施例一相同，在此不再贅述。實施例三。本實施例與實施例一的不同之處在于:本實施例的超聲震板12設置兩塊以上，兩塊以上的超聲震板12均勻地設置于反應器2的內壁。兩塊以上的超聲震板12布置在反應器2的側面上同時工作，幾乎是全方位立體地作用到石墨烯和催化劑等表面，使多層石墨烯更好地被剝離為單層石墨烯并被加以應用，更大地提升石墨烯的吸 附和助催化能力，進一步加快反應速度，有利于更快速地分解污染物和殺菌消毒，提聞污水凈化效果。實施例四。一種應用實施例一的石墨烯凈化污水組合裝置凈化污水的方法，它包括以下步驟:
a.往反應器2中投入多層石墨烯及催化劑，污水輸入至反應器2中，空氣進入反應器2底部；
b.超聲波發生裝置I產生超聲波，超聲波將多層石墨烯剝離為單層石墨烯，單層石墨烯和催化劑分解污水的污染物；
c.經步驟b處理后的水體進入膜分離器3；
d.水體從膜分離器3中排出。本發明的工作原理:在污水進入反應器2內，空氣通過風機6送入反應器2的底部，氣體和液體均與石墨烯和催化劑的表面接觸，在超聲波發生裝置I發出的超聲波作用下，本發明對水中的有毒有害物質進行分解，對細菌、藻類等微生物進行快速殺滅，處理后的水從分置的膜分離器3用水泵7排出，而石墨烯、催化劑和大分子污染物被截留在反應器2內。本發明能連續或間歇處理各種液體，實現超快速分解污染物和 消毒殺菌的目的。同時，本發明的石墨烯凈化污水組合裝置凈化污水的方法操作簡單，幾乎無須補充石墨烯、催化劑和氧化劑的步驟，大大降低了運行費用。
實施例五。一種應用實施例二或實施例三的石墨烯凈化污水組合裝置凈化污水的方法，它包括以下步驟:
a.往反應器2中投入多層石墨烯及催化劑，污水輸入至反應器2中，空氣進入反應器2底部；
b.超聲波發生裝置I產生超聲波，超聲波將多層石墨烯剝離為單層石墨烯，單層石墨烯和催化劑分解污水的污染物；與此同時，微波發生裝置4產生紫外光，紫外光輻射空氣產生臭氧，臭氧協同單層石墨烯和催化劑分解污染物，殺菌消毒；
c.經步驟b處理后的水體進入膜分離器3；
d.水體從膜分離器3中排出。本發明的工作原理:在污水進入反應器2內，空氣通過風機6送入反應器2的底部，微波發生器41激發紫外燈42發出紫外線，對風機6工作時吸入的空氣輻射產生高濃度臭氧，紫外燈42與風機6連接，臭氧和空氣被風機6 —起送入反應器2的底部，氣體和液體均與石墨烯和催化劑的表面接觸，在發出的超聲波及紫外線的共同作用下，對水中的有毒有害物質進行分解，對細菌、藻類等微生物進行快速殺滅，經反應器2處理后的水從反應器2的中部流至分置的膜分離器3，并用水泵7將經膜分離器3處理的水排出，而石墨烯、催化劑和大分子污染物被截留并經膜分離器3的底部回流至反應器2內。 本發明可省去昂貴的臭氧發生設備投資，大大減少氧化劑的使用，紫外光、臭氧聯合將彌補各自不足，從而產生超強分解污染物、殺菌消毒效果。以上所述實施方式，只是本發明的較佳實施方式，并非來限制本發明實施范圍，故凡依本發明申請專利 范圍所述的構造、特征及原理所做的等效變化或修飾，均應包括本發明專利申請范圍內。
權利要求
1.一種石墨烯凈化污水組合裝置，其特征在于:它包括反應器、超聲波發生裝置和膜分離器；所述超聲波發生裝置與所述反應器連接；所述反應器的出水端與所述膜分離器的進水端連接；所述反應器內設置有催化劑和多層石墨烯。
2.根據權利要求1所述的一種石墨烯凈化污水組合裝置，其特征在于:它還包括用于產生紫外光的微波發生裝置，所述微波發生裝置設置于所述反應器內。
3.根據權利要求2所述的一種石墨烯凈化污水組合裝置，其特征在于:所述微波發生裝置包括微波發生器和紫外燈，所述紫外燈設置于所述微波發生器的下方。
4.根據權利要求1所述的一種石墨烯凈化污水組合裝置，其特征在于:所述超聲波發生裝置包括超聲波發生器和超聲震板，所述超聲波發生器設置于反應器外，所述超聲震板設置于所述反應器的內壁，所述超聲波發生器與超聲震板連接；所述超聲波發生器為多頻超聲波發生器。
5.根據權利要求4所述的一種石墨烯凈化污水組合裝置，其特征在于:所述超聲震板設置兩塊以上，兩塊以上的所述超聲震板均勻地設置于所述反應器的內壁。
6.根據權利要求1所述的一種石墨烯凈化污水組合裝置，其特征在于:它還包括風機，所述風機與所述反應器連接。
7.根據權利要求6所述的一種石墨烯凈化污水組合裝置，其特征在于:它還包括曝氣裝置，所述曝氣裝置設置于所述反應器的內腔的底部，所述風機與所述曝氣裝置連接。
8.根據權利要求1所述的一種石墨烯凈化污水組合裝置，其特征在于:它還包括水泵和液位控制器，所述水泵的進水端與所述膜分離器的出水端連接；所述液位控制器設置于所述反應器內。
9.使用權利要求1至8任意一項所述的一種石墨烯凈化污水組合裝置凈化污水的方法，其特征在于:它包括以下步驟: a.往反應器中投入多層石墨烯及催化劑，污水輸入至反應器中，空氣進入反應器； b.超聲波發生裝置產生超聲波，超聲波將多層石墨烯剝離為單層石墨烯，單層石墨烯和催化劑分解污水的污染物； c.經步驟b處理后的水體進入膜分離器； d.水體從膜分離器中排出。
10.根據權利要求9所述的一種石墨烯凈化污水組合裝置凈化污水的方法，其特征在于:所述步驟b具體為: 超聲波發生裝置產生超聲波，超聲波將多層石墨烯剝離為單層石墨烯，單層石墨烯和催化劑分解污水的污染物；與此同時，微波發生裝置產生紫外光，紫外光輻射空氣產生臭氧，臭氧協同單層石墨烯和催化劑分解污染物，殺菌消毒。
全文摘要
本發明涉及凈化污水技術領域，尤其涉及一種石墨烯凈化污水組合裝置及其凈化污水的方法；一種石墨烯凈化污水組合裝置包括反應器、超聲波發生裝置和膜分離器；所述反應器內設置有催化劑和多層石墨烯；其凈化污水的方法包括以下步驟a.往反應器中投入多層石墨烯及催化劑，污水輸入至反應器中，空氣進入反應器底部；b.超聲波發生裝置產生超聲波，超聲波將多層石墨烯剝離為單層石墨烯，單層石墨烯和催化劑分解污水的污染物；c.經步驟b處理后的水體進入膜分離器；d.水體從膜分離器中排出。本發明的凈化污水的方法能連續或間歇處理各種液體，實現超快速分解污染物和消毒殺菌的目的。
文檔編號C02F1/44GK103214133SQ201310168749
公開日2013年7月24日 申請日期2013年5月9日 優先權日2013年5月9日
發明者鄧杰帆 申請人:鄧杰帆