CN103214133B

CN103214133B - 一种石墨烯净化污水组合装置

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Publication number: CN103214133B
Application number: CN201310168749.2A
Authority: CN
Inventors: 邓杰帆
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2033-05-09
Also published as: CN103214133A

Abstract

本发明涉及净化污水技术领域，尤其涉及一种石墨烯净化污水组合装置及其净化污水的方法；一种石墨烯净化污水组合装置包括反应器、超声波发生装置和膜分离器；所述反应器内设置有催化剂和多层石墨烯；其净化污水的方法包括以下步骤：a.往反应器中投入多层石墨烯及催化剂，污水输入至反应器中，空气进入反应器底部；b.超声波发生装置产生超声波，超声波将多层石墨烯剥离为单层石墨烯，单层石墨烯和催化剂分解污水的污染物；c.经步骤b处理后的水体进入膜分离器；d.水体从膜分离器中排出。本发明的净化污水的方法能连续或间歇处理各种液体，实现超快速分解污染物和消毒杀菌的目的。

Description

一种石墨烯净化污水组合装置

技术领域

本发明涉及净化污水技术领域，尤其涉及一种石墨烯净化污水组合装置及其净化污水的方法。

背景技术

随着社会的发展，工业废液、生活废液处理已成为一项非常严峻的社会任务。为了节约水资源，保护自然环境，我国对工业废液的排放有严格要求，对各种废液的循环利用亦是非常重视。

目前，人们常用吸附技术处理污水，吸附技术是指用活性炭等吸附材料对水中各种污染物进行吸附，以降低水中污染物浓度，但其吸附能力一般，再生困难。近年来，科学家发现石墨烯有着巨大的比表面积，而且这种功能化石墨烯对萘和萘酚等化学物质的吸附能力达到了每克2.4毫摩尔，对石油类物质的吸附能力达每克吸附86克，是目前吸附能力最高的材料。且石墨烯作为催化剂的载体，表现出极其出色的电子传输能力，能大大加快反应速度，利用石墨烯这种高效吸附性和电子传输特性，能高效分解水中的有机污染物。单层石墨烯的吸附容量比未剥离的多层石墨烯的吸附污染量大得多，但是因单层石墨烯制备复杂且费用高昂，没有良好的负载材料，且没有将多层石墨烯高效、简便的分离成单层石墨烯的分离设备，因此，石墨烯难以有效地应用于污水防治的领域中。

超声波是指频率高于20 kHz的声波。当一定强度的超声波通过媒体时，会产生一系列的物理、化学效应。它既能清洗物体表面污垢，又能用来分解水中难降解的有毒有机污染物和杀菌。目前超声波技术在石墨烯制备领域得到应用，但在净化污水设备上则未见报道。

膜分离技术是一种由膜分离单元与主体处理单元相结合的水处理技术，以膜组件取代二沉池等分离设备在反应器中保持高物料浓度，可提高反应速度，避免催化剂流失，减少污水处理设施占地，并减少污泥量。与传统的分离处理技术相比具有以下优点：处理效率高、出水水质好；设备紧凑、占地面积小；易实现自动控制、运行管理简单。80年代以来，该技术愈来愈受到重视，成为研究的热点之一。国内外众多研究表明，膜分离对各种高浓度有机废水与难降解废水的COD、NH₃-N、SS、浊度等都达到良好的去除效果。

目前，尚未有将石墨烯结合超声波、催化剂、膜分离技术结合应用于污水净化处理的技术。

因此，亟需针对现有技术的缺陷，提供一种高效、简便地利用石墨烯来进行污水净化的装置及污水净化方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，而提供一种高效、稳定、操作维护简便的石墨烯净化污水组合装置。

本发明的另一目的在于针对现有技术的不足，而提供石墨烯净化污水的方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的。

一种石墨烯净化污水组合装置，它包括反应器、超声波发生装置和膜分离器；所述超声波发生装置与所述反应器连接；所述反应器的出水端与所述膜分离器的进水端连接；所述反应器内设置有催化剂和多层石墨烯。进一步的，它还包括用于产生紫外光的微波发生装置，所述微波发生装置设置于所述反应器内。

其中，所述微波发生装置包括微波发生器和紫外灯，所述紫外灯设置于所述微波发生器的下方。

其中，所述超声波发生装置包括超声波发生器和超声震板，所述超声波发生器设置于反应器外，所述超声震板设置于所述反应器的内壁，所述超声波发生器与超声震板连接。

其中，所述超声波发生器为多频超声波发生器。

其中，所述超声震板设置两块以上，两块以上的所述超声震板均匀地设置于所述反应器的内壁。

进一步的，它还包括风机，所述风机与所述反应器连接。

进一步的，它还包括曝气装置，所述曝气装置设置于所述反应器的内腔的底部，所述风机与所述曝气装置连接。

更进一步的，它还包括水泵和液位控制器，所述水泵的进水端与所述膜分离器的出水端连接；所述液位控制器设置于所述反应器内。

本发明的另一目的是通过以下技术方案来实现的。

一种石墨烯净化污水组合装置净化污水的方法，它包括以下步骤：

a.往反应器中投入多层石墨烯及催化剂，污水输入至反应器中，空气进入反应器；

b.超声波发生装置产生超声波，超声波将多层石墨烯剥离为单层石墨烯，单层石墨烯和催化剂分解污水的污染物；

c.经步骤b处理后的水体进入膜分离器；

d.水体从膜分离器中排出。

其中，所述步骤b具体为：超声波发生装置产生超声波，超声波将多层石墨烯剥离为单层石墨烯，单层石墨烯和催化剂分解污水的污染物；与此同时，微波发生装置产生紫外光，紫外光辐射空气产生臭氧，臭氧协同单层石墨烯和催化剂分解污染物，杀菌消毒。

本发明的有益效果为：本发明的石墨烯净化污水组合装置具有以下优点：

1、本发明通过超声波发生装置、石墨烯、催化剂和膜分离器组合成一体式的组合装置对污水进行处理，超声波发生装置作用到多层石墨烯和催化剂的表面，同时实现使多层石墨烯剥离为单层石墨烯、促进催化剂分解和分解污染物的目的，剥离后的单层石墨烯的吸附容量比未剥离的多层石墨烯吸附污染量大得多，协同催化效果也好得多。

2、本发明的超声波发生装置采用多频超声波发生器，不同超声频率组合能产生1+1+1＞3的效果。

3、本发明采用外置式膜分离器，既能截留石墨烯、催化剂，又能截留大分子污染物，令其始终停留在反应器内直到被分解成小分子（或彻底分解成CO₂、H₂O），并避免后续化学清洗对反应器内关键设备的影响。

4、本发明具有结构简单、运行稳定、操作维护简便的特点，可通过多种物理场的协同作用，令处理能力空前强大，因此特别适用有毒有害物质的分解、液体杀菌消毒、突发水污染事件时的应急处理等水处理场合，以及适应更严格排放标准的现有污水处理系统提标改造，具有占地少、投资省、节能、简单实用等优点。

本发明的石墨烯净化污水组合装置净化污水的方法具有以下优点：

1、能连续或间歇处理各种液体，实现超快速分解污染物和消毒杀菌的目的。

2、操作简单，几乎无须补充石墨烯、催化剂和氧化剂的步骤，大大降低了运行费用。

附图说明

图1为本发明的实施例一的石墨烯净化污水组合装置结构示意图。

图2为本发明的实施例二的石墨烯净化污水组合装置结构示意图。

附图标记包括：

1—超声波发生装置 2—反应器

3—膜分离器 4—微波发生装置

5—曝气装置 6—风机

7—水泵 8—液位控制器

11—超声波发生器 12—超声波震板

31—膜组件

41—微波发生器 42—紫外灯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1所示，本实施例的一种石墨烯净化污水组合装置，它包括超声波发生装置1、反应器2、膜分离器3、风机6和水泵7；超声波发生装置1与反应器2连接，超声波发生装置1包括超声波发生器11和超声震板12，超声波发生器11设置于反应器2外，超声震板12设置于反应器2的内壁，超声波发生器11与超声震板12连接；风机6与反应器2连接，反应器2内设置有催化剂和多层石墨烯；反应器2的出水端与膜分离器3的进水端连接，膜分离器3内设置有用于过滤的膜组件31；水泵7的进水端与所述膜分离器3的出水端连接。

本发明的工作原理：在污水进入反应器2内，空气通过风机6送入反应器2的底部，气体和液体均与石墨烯和催化剂的表面接触，在超声波发生装置1发出的超声波作用下，本发明对水中的有毒有害物质进行分解，对细菌、藻类等微生物进行快速杀灭，处理后的水从分置的膜分离器3用水泵7排出，而石墨烯、催化剂和大分子污染物被截留在反应器2内。

本发明可结合其他物理场，如微波、紫外光、电场等，连同氧化剂，配合超声波、石墨烯、催化剂，获得超强的污染物分解能力，视情况也可直接采用太阳光配合反应。

本发明通过超声波发生装置1、石墨烯、催化剂及膜分离器3组合成一体式的组合装置，对污水进行处理，可加速污染物的分解，高效处理污染物，本发明能连续或间歇处理各种液体，实现超快速分解污染物和消毒杀菌的目的；且具有结构简单、运行稳定、操作维护简便的特点。

优选地，本发明所用的催化剂一般为固体催化剂，如金属催化剂，优选为TiO₂。TiO₂氧化能力强，化学性质稳定无毒，TiO₂等在紫外线的照射下被激活，当能量大于或等于半导体带隙能的光波(hv)辐射TiO₂时，TiO₂价带(VB)上的电子吸收光能(hv)后被激发到导带(CB)上，使导带上产生激发态电子(e-)，而在价带(VB)上产生带正电荷的空穴(h⁺)。e^-与吸附在TiO₂颗粒表面上的O₂发生还原反应，生成O^2ˉ，O^2ˉ与H⁺进一步反应生成H₂O₂，而h⁺与H₂O、OH^ˉ发生氧化反应生成高活性的·OH，H₂O₂，·OH把吸附在TiO₂表面上的有机污染物(简称为R)降解为CO₂、H₂O等，把有毒有害的污染物(简称为B)氧化或还原为无害物，并杀灭细菌病毒。

本发明的石墨烯与催化剂也为石墨烯复合二氧化钛催化剂的形式存在等。

本发明的超声波发生器11产生的超声波，通过超声震板12，作用到多层石墨烯和催化剂等表面时，超声波既有助剥离多层石墨烯、又可强化传质促进催化氧化，实现快速分解污染物和杀菌消毒。在超声波空化作用产生的局部高温、高压作用下，溶液产生空化泡并迅速崩溃，整个过程发生在ns-μs时间内，从而在空化泡内产生异常的高温(高于5000K)和高压(高于50MPa)，可逐渐把多层石墨烯剥离为单层石墨烯，单层石墨烯的吸附和助催化能力大大提升，且作为催化剂的载体，表现出极其出色的电子传输能力，能大大加快反应速度，污水净化效果得到显著提升。

本发明的超声波发生器11为多频超声波发生器，不同超声频率组合能产生1+1+1＞3的效果，同时实现剥离多层石墨烯、促进催化剂分解和分解污染物的目的，剥离后的单层石墨烯的吸附容量比未剥离的多层石墨烯吸附污染量大得多，协同催化效果也好得多。

本发明的膜分离器3既能截留石墨烯，又能截留大分子污染物，令其污染物始终停留在反应器2内直到被分解成小分子（或彻底分解成CO₂、H₂O），并避免后续化学清洗对反应器2内关键设备的影响。膜分离器3可使反应器2保持稳定的反应速度，避免催化剂流失，处理效率高、出水水质好；且设备紧凑、占地面积小，还易于实现自动控制、运行管理简单。

本发明还包括曝气装置5，所述曝气装置5设置于所述反应器2的内腔的底部，所述风机6与所述曝气装置5连接。曝气装置5可使臭氧和空气迅速、均匀地弥漫到反应器2内，进一步加快污染物的分解速度。

本实施例中，还包括液位控制器8，所述液位控制器8设置于反应器2内。液位控制器8便于监控反应器2内液面的高低，利于控制反应器2的负荷量，使本发明可持续稳定高效的处理污水。

实施例二。

如图2所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：本实施例还包括用于产生紫外光的微波发生装置4，所述微波发生装置4设置于所述反应器2内。微波发生装置4包括微波发生器41和紫外灯42，所述紫外灯42设置于所述微波发生器41的下方。

本发明的工作原理：在污水进入反应器2内，空气通过风机6送入反应器2的底部，微波发生器41激发紫外灯42发出紫外线，对风机6工作时吸入的空气辐射产生高浓度臭氧，紫外灯42与风机6连接，臭氧和空气被风机6一起送入反应器2的底部，气体和液体均与石墨烯和催化剂的表面接触，在发出的超声波及紫外线的共同作用下，对水中的有毒有害物质进行分解，对细菌、藻类等微生物进行快速杀灭，经反应器2处理后的水从反应器2的中部流至分置的膜分离器3，并用水泵7将经膜分离器3处理的水排出，而石墨烯、催化剂和大分子污染物被截留并经膜分离器3的底部回流至反应器2内。

本发明的微波发生器41激发紫外灯42产生紫外光，做成无极紫外灯42，波长为170~200nm，对污染物的分解率大大提高；且灯管内可用氪等惰性气体代替汞作为填充气体，从而避免引起汞二次污染。另外，无极紫外灯42的发光功率一般在200瓦以上，与目前市场上的紫外线消毒灯相比，发光功率大为提高，同等处理效果下无极紫外灯42更节能。在微波发生装置4产生紫外光的同时，通入空气能产生臭氧，由于臭氧是一种强氧化剂，能迅速弥漫到整个反应器2，其分解有毒有害物质的能力极强。由此，可省去昂贵的臭氧发生设备投资，大大减少氧化剂的使用，紫外光、臭氧联合将弥补各自不足，从而产生超强分解污染物、杀菌消毒效果。

另外，通过超声波发生装置1的超声波作用，还可以清洁微波发生装置4的表面，防止其积垢。

本实施例其它结构与实施例一相同，在此不再赘述。

实施例三。

本实施例与实施例一的不同之处在于：本实施例的超声震板12设置两块以上，两块以上的超声震板12均匀地设置于反应器2的内壁。

两块以上的超声震板12布置在反应器2的侧面上同时工作，几乎是全方位立体地作用到石墨烯和催化剂等表面，使多层石墨烯更好地被剥离为单层石墨烯并被加以应用，更大地提升石墨烯的吸附和助催化能力，进一步加快反应速度，有利于更快速地分解污染物和杀菌消毒，提高污水净化效果。

实施例四。

一种应用实施例一的石墨烯净化污水组合装置净化污水的方法，它包括以下步骤：

a. 往反应器2中投入多层石墨烯及催化剂，污水输入至反应器2中，空气进入反应器2底部；

b.超声波发生装置1产生超声波，超声波将多层石墨烯剥离为单层石墨烯，单层石墨烯和催化剂分解污水的污染物；

c.经步骤b处理后的水体进入膜分离器3；

d.水体从膜分离器3中排出。

本发明能连续或间歇处理各种液体，实现超快速分解污染物和

消毒杀菌的目的。

同时，本发明的石墨烯净化污水组合装置净化污水的方法操作简单，几乎无须补充石墨烯、催化剂和氧化剂的步骤，大大降低了运行费用。

实施例五。

一种应用实施例二或实施例三的石墨烯净化污水组合装置净化污水的方法，它包括以下步骤：

b. 超声波发生装置1产生超声波，超声波将多层石墨烯剥离为单层石墨烯，单层石墨烯和催化剂分解污水的污染物；与此同时，微波发生装置4产生紫外光，紫外光辐射空气产生臭氧，臭氧协同单层石墨烯和催化剂分解污染物，杀菌消毒；

c.经步骤b处理后的水体进入膜分离器3；

d.水体从膜分离器3中排出。

本发明可省去昂贵的臭氧发生设备投资，大大减少氧化剂的使用，紫外光、臭氧联合将弥补各自不足，从而产生超强分解污染物、杀菌消毒效果。

以上所述实施方式，只是本发明的较佳实施方式，并非来限制本发明实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括本发明专利申请范围内。

Claims

1.一种石墨烯净化污水组合装置，其特征在于：

它包括反应器、超声波发生装置和膜分离器；所述超声波发生装置与所述反应器连接；所述反应器的出水端与所述膜分离器的进水端连接；所述反应器内设置有催化剂和多层石墨烯；

它还包括用于产生紫外光的微波发生装置，所述微波发生装置设置于所述反应器内；所述微波发生装置包括微波发生器和紫外灯，所述紫外灯设置于所述微波发生器的下方；

所述超声波发生装置包括超声波发生器和超声震板，所述超声波发生器设置于反应器外，所述超声震板设置于所述反应器的内壁，所述超声波发生器与超声震板连接；所述超声波发生器为多频超声波发生器；

它还包括风机，所述风机与所述反应器连接；

它还包括曝气装置，所述曝气装置设置于所述反应器的内腔的底部，所述风机与所述曝气装置连接；

它还包括水泵和液位控制器，所述水泵的进水端与所述膜分离器的出水端连接；所述液位控制器设置于所述反应器内；

使用石墨烯净化污水组合装置净化污水的方法，它由以下步骤组成：

a. 往反应器中投入多层石墨烯及催化剂，污水输入至反应器中，空气进入反应器；

b. 超声波发生装置产生超声波，超声波将多层石墨烯剥离为单层石墨烯，单层石墨烯和催化剂分解污水的污染物；与此同时，微波发生装置产生紫外光，紫外光辐射空气产生臭氧，臭氧协同单层石墨烯和催化剂分解污染物，杀菌消毒；

c.经步骤b处理后的水体进入膜分离器；

d.水体从膜分离器中排出。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯净化污水组合装置，其特征在于：所述超声震板设置两块以上，两块以上的所述超声震板均匀地设置于所述反应器的内壁。