一種三維石墨烯納米材料電化學處理高濃度有機廢水的方法
【專利摘要】本發明涉及一種三維石墨烯納米材料電化學處理高濃度有機廢水的方法，該方法是利用帶有三維石墨烯納米材料電極的反應器對高濃度有機廢水進行處理，所述的三維石墨烯納米材料電極按如下方法制備：將氧化石墨烯溶液超聲后，加入抗壞血酸，再超聲形成均一溶液，加熱，清洗，冷卻，干燥，即得。本發明將三維石墨烯作為電極通過施加電壓來提高三維石墨烯處理有機物的效率，脫色率可達98％～100％、TOC量去除率可達96％以上。
【專利說明】一種三維石墨烯納米材料電化學處理高濃度有機廢水的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于廢水凈化領域，涉及一種三維石墨烯納米材料電化學處理高濃度有機廢水的方法。
【背景技術】
[0002]高濃度有機廢水一般是指由造紙、皮革及食品等行業排出的COD在2000mg/L以上的廢水。這種廢水的成分非常的復雜、毒性強，在自然環境中難于光降解和生物降解，對生物以及環境造成很大的危害，如果直接排放，會造成嚴重的水環境污染，因此對染料廢水的處理得到了廣泛的重視。一般處理方法有:混凝法、氧化一吸附法、焚燒法、萃取法、濕式催化氧化法、電化學法和膜分離法、化學氧化法、電解法、光降解法、生物降解法等。其中吸附被認為是去除水中污染物非常有效的方法，并且它消耗的能源低，是環境友好型的方法。[0003]石墨烯是碳原子按六邊形晶格整齊排布而成的碳單質，具有蜂窩狀品格結構的新型二維晶體碳納米材料。基于它的化學結構，石墨烯具有許多獨特的物理化學性質。例如石墨烯具有高比表面積，高吸附能力，表面也富含η電子可以與芳香結構的有機物形成強烈的η鍵作用，所以在水處理領域中得到了廣泛的關注。但是由于二維石墨烯材料在水溶液中是懸浮性的，難以分離，容易造成二次污染，如用傳統的過濾的方法分離，會造成濾器的堵塞和石墨烯材料的流失。
[0004]中國專利文獻CN103539296A(申請號:201310527931.2)公開了一種處理高濃度難生物降解有機廢水的方法及裝置，該方法包括以下步驟:①調廢水的PH值至3 將調后的廢水送入Fenton反應器，同時加入Fenton試劑，發生Fenton反應！③將含有Fenton試劑的廢水流過電絮凝裝置，在脈沖電源電場的作用下繼續發生Fenton反應，同時還發生電化學反應和電催化氧化反應，反應使得廢水中的有機物進一步降解，同時生成絮凝物和沉淀；絮凝物由設置在電絮凝裝置氣浮區的刮渣機刮除；④帶沉淀的廢水流入沉淀池，調PH值至7-8，將沉淀后的廢水排出沉淀池。但是，上述專利文獻公開的方法電化學反應的電極為普通電極，電化學處理效率不高。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的不足，本發明提供一種三維石墨烯納米材料電化學處理高濃度有機廢水的方法。
[0006]本發明的技術方案如下:
[0007]—種三維石墨烯納米材料電化學處理高濃度有機廢水的方法，該方法是利用如下反應器對高濃度有機廢水進行處理:該反應器包括密閉的反應器本體和泵，所述的反應器本體交錯豎直設置有隔板，所述的隔板將反應器本體分割成多個處理單元，所述的處理單元中設置有夾槽，所述的夾槽中設置有三維石墨烯納米材料電極，所述的反應器本體的內部頂端設置有鈦電極，所述的反應器本體的一側上部設置有進水口，所述的反應器本體與進水口相對的一側的下部設置有出水口，所述的設置在處理單元中的三維石墨烯納米材料電極彼此并聯且通過電源和鈦電極連接，所述的電源為直流電源；所述的泵與進水口連接；
[0008]所述的三維石墨烯納米材料電極按如下方法制備得到:將濃度為I~1.5mg/ml的氧化石墨烯溶液超聲10~30min后，加入氧化石墨烯溶液質量的0.5%~2%的抗壞血酸，再超聲5~IOmin形成均一溶液,85~95°C的條件下加熱I~1.5h ;清洗,冷卻，干燥，即得;
[0009]處理步驟如下:
[0010]關閉反應器的出水口，用泵將高濃度有機廢水從進水口泵入到反應器中，開通電源，三維石墨烯納米材料電極對高濃度有機廢水進行電化學處理I~3h，處理完成后，打開出水口，即完成對高濃度有機廢水的電化學處理。
[0011 ] 根據本發明，優選的，所述的反應器本體長35~50cm、高30~40cm、寬15~30cm。
[0012]根據本發明，優選的，所述的隔板的個數為2~5塊。
[0013]根據本發明，優選的，所述的夾槽的高度為20~30cm，夾槽與反應器本體底部的間距為5cm。
[0014]根據本發明，優選的，所述的電源電壓為0.5~1.5V。
[0015]根據本發明， 優選的，所述的三維石墨烯納米材料電極的制備方法中，氧化石墨烯溶液的濃度為1.2~1.5mg/ml，抗壞血酸的加入量為氧化石墨烯溶液質量的
清洗方式為透析的方式，冷卻溫度為-10~_20°C，干燥方式為在-40~-50°C的真空冷凍干燥儀器中干燥24~48h。
[0016]本發明三維石墨烯納米材料的形狀可根據不從的需要制作成不同的形狀，優選長方體狀。制備時，將加入抗壞血酸的氧化石墨烯溶液放入所需形狀的容器中反應后形成水溶膠，清洗，冷卻，干燥，即可得到所需形狀的三維石墨烯納米材料電極。
[0017]本發明將氧化石墨烯和抗壞血酸反應，通過石墨烯碳原子層內π-jr堆積作用，以及疏水作用，制成三維石墨烯材料，三維石墨烯吸附有機物的同時，利用電化學原理對有機物進行處理。
[0018]本發明的有益效果:
[0019]1、本發明的三維石墨烯納米材料電極不但具有高比表面積，并且還易于與水分離不會造成二次污染，可以替代石墨烯來用于有機廢水的處理。
[0020]2、石墨烯中電子的運動速率達到了光速的1/300，遠超過了電子在一般導體中的運動速度，利用這一特性本發明將三維石墨烯作為電極通過施加電壓來提高三維石墨烯處理有機物的效率，脫色率可達98 %~100 %、TOC量去除率可達96 %以上。
[0021]3、本發明以氧化石墨烯作為原材料，成本低廉，通入低的電壓(僅0.5~1.5V)能起到很好的去除效果，能耗低。
[0022]4、本發明三維石墨烯材料電極韌性強、不易破碎，反應器穩定性好，處理效率高，出水水質穩定，流程簡單，設備緊湊，占地面積小，經濟可行、無二次污染易、實現自動控制，運行管理簡單。
【專利附圖】
【附圖說明】[0023]圖1為本發明實施例1反應器的主體結構示意圖。
[0024]圖2為本發明實施例1反應器的側視圖。
[0025]圖3為本發明實施例1反應器的俯視圖。
[0026]其中，1、反應器本體，2、隔板，3、夾槽，4、三維石墨烯納米材料電極，5、鈦電極，6、進水口，7、出水口，8、電源，9、泵。
【具體實施方式】
[0027]下面通過具體實施例對本發明做進一步說明，但不限于此。
[0028]實施例1
[0029]一種三維石墨烯納米材料電化學處理高濃度有機廢水的方法，該方法是利用如下反應器對高濃度有機廢水進行處理:該反應器包括密閉的反應器本體I和泵9，所述的反應器本體I交錯豎直設置有隔板2，所述的隔板2將反應器本體I分割成多個處理單元，所述的處理單元中設置有夾槽3，所述的夾槽3中設置有三維石墨烯納米材料電極4，所述的反應器本體I的內部頂端設置有鈦電極5，所述的反應器本體I的一側上部設置有進水口 6，所述的反應器本體I與進水口 6相對的一側的下部設置有出水口 7，所述的設置在處理單元中的三維石墨烯納米材料電極4彼此并聯且通過電源8和鈦電極5連接，所述的電源8為直流電源；所述的泵9與進水口 6連接；
[0030]所述的三維石墨烯納米材料電極4按如下方法制備得到:將25mL氧化石墨烯(1.5mg/ml)超聲(應用能量500w/L) 30min后，加入400mg的抗壞血酸,再超聲5min形成均一溶液后，90°C的條件下加熱1.5h ;通過透析的方式清洗，冷卻至_20°C，在_50°C的真空冷凍干燥儀器中干燥24h，即得；
[0031]處理步驟如下:
[0032]關閉反應器的出水口 7，用泵9將高濃度有機廢水從進水口 6泵入到反應器中，開通電源8，三維石墨烯納米材料電極4對高濃度有機廢水進行電化學處理I小時，處理完成后，打開出水口 7，即完成對高濃度有機廢水的電化學處理。
[0033]本實施例中反應器本體I長36cm、高30cm、寬15cm，隔板2的個數為2塊，夾槽3的高度為20cm，夾槽3與反應器本體I底部的間距為5cm ;三維石墨烯納米材料電極4的形狀為長方體，鈦電極5為鈦金屬板，電源電壓為1.2V。
[0034]酸性紅27 (Acid Red27)高濃度有機廢水電化學處理:Acid Red27高濃度有機廢水的原始指標:Acid Red27:2000mg/L、總有機碳含量(TOC) 720mg/L。
[0035]步驟如下:
[0036]關閉反應器的出水口 7，用泵9將Acid Red27高濃度有機廢水從進水口 6泵入到反應器中，開通電源8 (電源電壓1.2V)，三維石墨烯納米材料電極4對Ac id Red27高濃度有機廢水進行電化學處理lh，處理完成后，打開出水口 7，在出水口 7收集出水并測脫色率、TOC量，并且同Acid Red27高濃度有機廢水的原始指標比較計算其脫色率以及TOC去除率。
[0037]經計算，在施加1.2V的恒電壓的條件下處理lh，Acid Red27高濃度有機廢水脫色率為100%，TOC量去除率為99%。 [0038]實施例2
[0039]如實施例1所述的三維石墨烯納米材料電化學處理高濃度有機廢水的方法，不同的是反應器本體I長40cm、高35cm、寬20cm，隔板2的個數為3塊，夾槽3的高度為25cm，夾槽3與反應器本體I底部的間距為5cm ;三維石墨烯納米材料電極4的形狀為長方體，鈦電極5為鈦金屬板，電源電壓為0.6V ；
[0040]所述的三維石墨烯納米材料電極4按如下方法制備得到:將25mL氧化石墨烯(lmg/ml)超聲(應用能量500w/L)20min后,加入300mg的抗壞血酸,再超聲5min形成均一溶液后，90°C的條件下反應1.5h ;通過透析的方式清洗，冷卻至-10，在-40°C的真空冷凍干燥儀器中干燥48h，即得。
[0041]酸性紅27 (Acid Red27)高濃度有機廢水電化學處理:Acid Red27高濃度有機廢水的原始指標和處理步驟同實施例1，不同的是電源電壓為0.6V。
[0042]經計算，在施加0.6V的恒電壓的條件下處理lh，Acid Red27高濃度有機廢水脫色率為98 %，TOC量去除率為96 %。
[0043]實施例3[0044]如實施例1所述的三維石墨烯納米材料電化學處理高濃度有機廢水的方法，不同的是反應器本體I長50cm、高40cm、寬30cm，隔板2的個數為5塊，夾槽3的高度為30cm，夾槽3與反應器本體I底部的間距為5cm ;三維石墨烯納米材料電極4的形狀為長方體，鈦電極5為鈦金屬板，電源電壓為1.0V。
[0045]對比例I
[0046]酸性紅27 (Acid Red27)高濃度有機廢水電化學處理:Acid Red27高濃度有機廢水的原始指標和處理步驟同實施例1，不同的是不開通電源。
[0047]經計算，在不開通電源的條件下處理lh，Acid Red27高濃度有機廢水脫色率為70%, TOC量去除率為68%。
[0048]對比例2
[0049]酸性紅27 (Acid Red27)高濃度有機廢水電化學處理:Acid Red27高濃度有機廢水的原始指標同實施例1，不同的是將三維石墨烯納米材料電極改為石墨烯薄膜(二維石墨烯材料)電極，所述的石墨烯薄膜電極的制備方法如下:
[0050]按質量體積比為0.lg/L將石墨烯溶于超純水中，超聲分散5min制得石墨烯水凝膠，然后將石墨烯水凝膠真空抽濾到孔徑是0.20 μ m的尼龍濾膜上，于35°C干燥箱中烘干，即得石墨烯薄膜電極。
[0051]經計算，石墨烯薄膜電極處理lh，Acid Red27高濃度有機廢水脫色率為90%，TOC量去除率為92%。
【權利要求】
1.一種三維石墨烯納米材料電化學處理高濃度有機廢水的方法，該方法是利用如下反應器對高濃度有機廢水進行處理:該反應器包括密閉的反應器本體和泵，所述的反應器本體交錯豎直設置有隔板，所述的隔板將反應器本體分割成多個處理單元，所述的處理單元中設置有夾槽，所述的夾槽中設置有三維石墨烯納米材料電極，所述的反應器本體的內部頂端設置有鈦電極，所述的反應器本體的一側上部設置有進水口，所述的反應器本體與進水口相對的一側的下部設置有出水口，所述的設置在處理單元中的三維石墨烯納米材料電極彼此并聯且通過電源和鈦電極連接，所述的電源為直流電源；所述的泵與進水口連接； 所述的三維石墨烯納米材料電極按如下方法制備得到:將濃度為1~1.5mg/ml的氧化石墨烯溶液超聲10~30min后，加入氧化石墨烯溶液質量的0.5%~2%的抗壞血酸，再超聲5~10min形成均一溶液,85~95°C的條件下加熱1~1.5h ;清洗,冷卻,干燥，即得； 處理步驟如下: 關閉反應器的出水口，用泵將高濃度有機廢水從進水口泵入到反應器中，開通電源，三維石墨烯納米材料電極對高濃度有機廢水進行電化學處理I~3h，處理完成后，打開出水口，即完成對高濃度有機廢水的電化學處理。
2.根據權利要求1所述的三維石墨烯納米材料電化學處理高濃度有機廢水的方法，其特征在于，所述的反應器本體長35~50cm、高30~40cm、寬15~30cm。
3.根據權利要求1所述的三維石墨烯納米材料電化學處理高濃度有機廢水的方法，其特征在于，所述的隔板的個數為2~5塊。
4.根據權利要求1所述的三維石墨烯納米材料電化學處理高濃度有機廢水的方法，其特征在于，所述的夾槽的高度為20~30cm，夾槽與反應器本體底部的間距為5cm。
5.根據權利要求1所述的三維石墨烯納米材料電化學處理高濃度有機廢水的方法，其特征在于，所述的電源電壓為0.5~1.5V。
6.根據權利要求1所述的三維石墨烯納米材料電化學處理高濃度有機廢水的方法，其特征在于，所述的三維石墨烯納米材料電極的制備方法中，氧化石墨烯溶液的濃度為L 2 ~L 5mg/ml。
7.根據權利要求1所述的三維石墨烯納米材料電化學處理高濃度有機廢水的方法，其特征在于，所述的抗壞血酸的加入量為氧化石墨烯溶液質量的I %~1.5 %。
8.根據權利要求1所述的三維石墨烯納米材料電化學處理高濃度有機廢水的方法，其特征在于，清洗方式為透析的方式，冷卻溫度為-10~_20°C，干燥方式為在-40~-50°C的真空冷凍干燥儀器中干燥24~48h。
【文檔編號】C02F1/46GK103922443SQ201410177151
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月29日 優先權日:2014年4月29日
【發明者】王曙光, 郭貝貝, 孫雪菲 申請人:山東大學