CN103241796A

CN103241796A - 一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺及其装置

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Publication number: CN103241796A
Application number: CN2013102125967A
Authority: CN
Inventors: 邓杰帆
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: CN103241796B

Abstract

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺及其装置；该工艺包括以下步骤：a.设置含填料及石墨烯材料的过滤吸附混合物层；b.输入污水，污水经过过滤吸附混合物层；c.过滤吸附混合物层的石墨烯材料过滤、吸附污水中的污染物，石墨烯材料结合金属填料和/或金属氧化物填料进行微电解反应；d.出水。本发明采用石墨烯材料结合金属填料和/或金属氧化物填料进行微电解，实现非常高的净化效率；且具有结构简单、运行稳定、操作维护简便的特点，能适用于各种污水、饮用水和应急水处理场合。

Description

一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺及其装置

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺及其装置。

背景技术

随着社会的发展，工业污水、生活污水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，我国对工业污水的排放有严格要求，对各种污水的循环利用亦是非常重视。

现有技术中经常使用过滤、吸附的方法处理污水，从使用材料上来看，经常使用石英砂等材料拦截细微颗粒物达到过滤的作用，使用活性炭对水中各种污染物进行吸附，以降低水中污染物的浓度，也有仅用活性炭来对污水同时起过滤、吸附作用的，但是活性炭的吸附能力一般，再生困难。

随着对石墨烯研究的深入，发现石墨烯有着巨大的比表面积，而且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，每克石墨烯能吸附石油类物质达86克，是目前吸附能力最高的材料。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。

铁炭微电解工艺及其改良工艺处理污水正成为国内外研究的热点。铁炭微电解工艺是利用金属腐蚀原理，形成原电池对污水进行处理，由于其适用范围广﹑使用寿命长﹑处理效果好﹑成本低﹑操作维护方便，近年来受到国内外学者的广泛重视。但传统的铁炭微电解工艺只适用于低pH环境，而且极易堵塞导致水流短路，影响处理效果。

目前，尚未有将石墨烯结合金属微电解工艺应用于污水处理的技术，因此，亟需针对现有技术的缺陷，提供一种高效、简便地利用石墨烯结合金属微电解工艺来进行污水处理的工艺或者装置。

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、操作维护简便的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺。

本发明的另一目的在于针对现有技术的不足，而提供一种高效、稳定、操作维护简便的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水装置。

本发明是通过以下技术方案来实现的。

一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺，它包括以下步骤：

a.设置含填料及石墨烯材料的过滤吸附混合物层；

b.输入污水，污水经过过滤吸附混合物层；

c.过滤吸附混合物层的石墨烯材料过滤、吸附污水中的污染物，石墨烯材料结合金属填料和/或金属氧化物填料进行微电解反应；

d.出水。

其中，所述步骤b具体为：以切线方向输入污水，污水经过过滤吸附混合物层。

进一步的，所述步骤b具体为：输入污水和双氧水，污水和双氧水同时经过过滤吸附混合物层。

更进一步的，所述步骤b具体为：输入污水，污水经过过滤吸附混合物层时，同时向过滤吸附混合物层输入空气进行鼓风曝气。

所述填料为金属填料和/或金属氧化物填料，所述污水的pH值为4~6；当所述污水的pH为4~6时，本发明的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺的处理效果更好。

一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置，它包括装置本体，所述装置本体由上而下设置有进水装置、过滤吸附装置、支承装置、出水装置，所述进水装置设有供污水输入的进水口，所述过滤吸附装置设有含填料及石墨烯材料的过滤吸附混合物层，所述出水装置设有供处理后的水排出的出水口。

其中，所述进水口以切线方向设置于进水装置。

其中，所述石墨烯材料为多层石墨烯、石墨烯改性材料中的一种或者两种的混合物；所述填料为金属填料和/或金属氧化物填料；所述金属填料为铝填料、铜填料、铁填料、锰填料中的一种或者两种以上的混合物；所述金属氧化物填料为氧化锰填料、氧化铁填料中的一种或者两种的混合物。

进一步的，它还包括曝气装置，所述曝气装置包括压缩空气管和曝气盘，所述曝气盘设置于所述支承装置的下方，所述压缩空气管连接一空气泵。

进一步的，它还包括双氧水输送管，所述双氧水输送管与所述进水装置连通。

更进一步的，所述支承装置包括具有通孔的支承架和/或筛网，所述过滤吸附装置设有视窗和/或入料孔。

本发明的有益效果为：

本发明的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺具有以下优点：

1、本发明的工艺采用石墨烯材料过滤、吸附水中污染物，结合金属填料和/或金属氧化物填料进行微电解；由于石墨烯材料具有巨大的比表面积、吸附能力和优秀的电子传输能力，使得微电解效果远较其他碳材料好，其用量也比常规铁炭微电解中的炭用量少得多，低至1/10；结合金属填料和/或金属氧化物填料进行微电解，提高吸附、分解水中污染物的效果，反应速率高达现有技术的铁碳微电解技术的6.7倍以上，实现非常高的净化效率。

2、污水以切线方向进入过滤吸附混合物层，使水流呈螺旋状，大大强化搅拌，减少堵塞和短路，强化处理效果。

3、通过输入双氧水和/或空气鼓风曝气，进一步强化处理效果，鼓风曝气还可以减少堵塞和短路，强化处理效果。

4、本发明的工艺具有高效、稳定、操作维护简便的特点。

本发明的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置还具有以下优点：

1、本发明的装置无需设置复杂的反冲洗系统，可以简便地取出物料，补充金属填料和/或金属氧化物填料，或将吸附饱和的石墨烯材料进行微波再生，大大减低本发明初始投资和运行费用。

2、本发明的装置具有结构简单、运行稳定、操作维护简便的特点，能适用于各种污水、饮用水和应急水处理场合。

附图说明

图1为本发明的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置的实施例六的结构示意图。

图2为本发明的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置的实施例六的另一结构示意图。

图3为本发明的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置的实施例七的结构示意图。

图4为本发明的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置的实施例八的结构示意图。

附图标记包括：

1—装置本体， 2—进水装置，

3—过滤吸附装置， 4—支承装置，

5—出水装置， 6—曝气装置，

7—双氧水输送管

21—进水口，

31—石墨烯材料， 32—填料，

51—出水口，

61—压缩空气管， 62—曝气盘。

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。

a.设置含填料及石墨烯材料的过滤吸附混合物层；

b.输入污水，污水经过过滤吸附混合物层；

d.出水。

本发明的工艺采用石墨烯材料过滤、吸附水中污染物，结合金属填料和/或金属氧化物填料进行微电解；由于石墨烯材料具有巨大的比表面积、吸附能力和优秀的电子传输能力，使得微电解效果远较其他碳材料好，其用量也比常规铁炭微电解工艺中的炭用量少得多，结合金属填料和/或金属氧化物填料进行微电解，提高吸附、分解水中污染物的效果，实现非常高的净化效率。

本实施例所述填料为金属填料或者金属氧化物填料，也可以为金属填料和金属氧化物填料的混合物；所述金属填料为铝填料、铜填料、铁填料、锰填料中的一种或者两种以上的混合物；所述金属氧化物填料为氧化锰填料、氧化铁填料中的一种或者两种的混合物。

本实施例的石墨烯材料为多层石墨烯、石墨烯改性材料中的一种或者两种的混合物。多层石墨烯易于制取、使用周期长、价格适中。石墨烯改性材料例如是石墨烯基铁氧化物磁性材料，它综合了石墨烯以及磁铁矿的优点，一方面能够在吸附饱和后容易快速地从水体中分离，另一方面具有巨大表面积、丰富官能团和大面积sp²轨道的碳结构，不仅能加强吸附能力，而且在高温和低pH值下的性质不发生变化；磁性石墨烯复合材料的另一大优点是作为吸附材料，能够在吸附饱和后容易快速再生，并且再生后的吸附能力基本无损耗。

本发明的工艺能实现连续吸附、过滤净化水质，使有毒有害有机物分解成低毒甚至无毒无害的小分子物质，因此适用各种污水、饮用水与突发水污染事件时作应急处理。

实施例二。

本实施例的一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺与实施例一的不同之处在于：所述步骤b具体为：以切线方向输入污水，污水经过过滤吸附混合物层。

本发明的污水以切线方向进入过滤吸附混合物层，使水流呈螺旋状，大大强化搅拌，减少堵塞和短路，强化处理效果。

本实施例的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺的其它工艺步骤与实施例一相同，在此不再赘述。

实施例三。

本实施例的一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺与实施例一的不同之处在于：所述步骤b具体为：输入污水和双氧水，污水和双氧水经过过滤吸附混合物层。

本实施例通过输入双氧水作为氧化剂，进一步强化处理效果。

实施例四。

本实施例的一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺与实施例一的不同之处在于：所述步骤b具体为：输入污水，污水经过过滤吸附混合物层，向过滤吸附混合物层输入空气进行鼓风曝气。

本实施例通过输入空气鼓风曝气，进一步强化处理效果，鼓风曝气还可以减少堵塞和短路，强化处理效果。

实施例五。

本实施例的一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺与实施例一的不同之处在于：所述步骤b具体为：输入污水和双氧水，污水和双氧水经过过滤吸附混合物层，向过滤吸附混合物层输入空气进行鼓风曝气。

本实施例通过输入双氧水和空气作为氧化剂，进一步强化处理效果；鼓风曝气还可以减少堵塞和短路，强化处理效果。

实施例六。

如图1所示，一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置，它包括装置本体1，所述装置本体1由上而下设置有进水装置2、过滤吸附装置3、支承装置4、出水装置5，所述进水装置2设有供污水输入的进水口21，所述过滤吸附装置3设有由石墨烯材料31及填料32构成的过滤吸附混合物层，所述出水装置5设有供处理后的水排出的出水口51。

如图2所示，本实施例所述的进水口21以切线方向设置于进水装置2。污水通过进水口21以切线方向进入过滤吸附混合物层，使水流呈螺旋状，大大强化搅拌，减少堵塞和短路，强化处理效果。

本实施例的石墨烯材料31为多层石墨烯、石墨烯改性材料中的一种或者两种的混合物。多层石墨烯易于制取、使用周期长、价格适中。石墨烯改性材料例如是石墨烯基铁氧化物磁性材料，它综合了石墨烯以及磁铁矿的优点，一方面能够在吸附饱和后容易快速地从水体中分离，另一方面具有巨大表面积、丰富官能团和大面积sp²轨道的碳结构，不仅能加强吸附能力，而且在高温和低pH值下的性质不发生变化；磁性石墨烯复合材料的另一大优点是作为吸附材料，能够在吸附饱和后容易快速再生，并且再生后的吸附能力基本无损耗。

本实施例所述填料32为金属填料或者金属氧化物填料，也可以为金属填料和金属氧化物填料的混合物；所述金属填料为铝填料、铜填料、铁填料、锰填料中的一种或者两种以上的混合物；所述金属氧化物填料为氧化锰填料、氧化铁填料中的一种或者两种的混合物。根据污水的水质，使用1~3种金属填料，或者金属氧化物填料、或者1~3种金属填料及金属氧化物填料按任意比例的混合物进行微电解，如采用铁填料、锰填料和多层石墨烯以2:1:2的比例混合作为过滤吸附混合物层，或者采用铝填料、氧化锰填料、氧化铁填料、石墨烯改性材料以1：0.5:1.5:1的比例混合作为过滤吸附混合物层等，来提高吸附分解水中污染物的效果，实现超高净化效率。

根据待处理的水质，可按任意比例、无规则堆填石墨烯材料31、金属填料和/或金属氧化物填料，或者将石墨烯材料31、金属填料和/或金属氧化物填料放进空心包裹材料例如天然矿物中，再堆填在过滤吸附装置3内。

本实施例所述的支承装置4包括具有通孔的支承架和/或筛网，支承架起到支承过滤吸附混合物层的作用，支承架设有通孔，经过过滤吸附装置3处理的水通过支承架和/或筛网流通至过滤吸附装置3，筛网起到拦截的作用，防止石墨烯材料31、金属填料和/或金属氧化物填料通过支承架落入出水装置5，使其集中停留在过滤吸附装置3中，保证过滤、吸附和分解效果。

过滤吸附装置3设有视窗和/或入料孔，通过视窗可以观察过滤吸附混合物层的反应情况，通过入料孔及时补充金属填料和/或金属氧化物填料，或取出吸附饱和的石墨烯材料进行微波再生。

本实施例的石墨烯连续过滤吸附处理污水装置的工作原理：污水通过进水口21进入进水装置2，然后进入过滤吸附装置3，污水中的胶原体、颗粒物等被石墨烯材料31拦截、吸附，结合金属填料和/或金属氧化物填料混合物的微电解作用下，水质得到净化，处理后的净化水从过滤吸附装置3的下部流至出水装置5，从出水装置5的排水口51排出。

本实施例的石墨烯连续过滤吸附处理污水装置能实现连续吸附、过滤净化水质，使有毒有害有机物分解成低毒甚至无毒无害的小分子物质，因此适用各种污水、饮用水与突发水污染事件时作应急处理，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、简单实用等优点。

实施例七。

如图3所示，本实施例的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置与实施例六的不同之处在于：本实施例的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置还包括曝气装置6，所述曝气装置6包括压缩空气管61和曝气盘62，所述曝气盘62设置于所述支承装置4的下方，所述压缩空气管61连接一空气泵。

压缩空气通过空气泵输入压缩空气管61，再经过曝气盘62进入支承装置4的下方。通过曝气装置6向石墨烯材料31、金属填料和/或金属氧化物填料输送空气，使石墨烯材料31、金属填料和/或金属氧化物填料在污水和空气混合物悬浮，相互间不断磨擦，防止金属填料和/或金属氧化物填料钝化、板结、堵塞的问题，可以广泛地工业化应用到各行业的污水处理中。

本实施例的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置的其它结构与实施例六相同，在此不再赘述。

实施例八。

如图4所示，本实施例的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置与实施例七的不同之处在于：本实施例的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置还包括双氧水输送管7，所述双氧水输送管7与所述进水装置2连通。

本实施例的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置的工作原理：污水及双氧水进入进水装置2，污水与双氧水在进水装置2内充分混合后进入过滤吸附装置32，与此同时，空气也通过曝气装置6进入支承装置4的下方；污水中的胶原体、颗粒物等被石墨烯材料31拦截、吸附，结合金属填料和/或金属氧化物填料混合物的微电解作用下，水质得到净化，处理后的净化水从过滤吸附装置32的下部流至出水装置5，从出水装置5的排水口51排出。

本实施例的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置通过空气、双氧水等氧化剂来强化处理效果，净化效率更高。

应用实例。

将实施例一的一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺或实施例六的一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置者应用于处理某机加工企业酸性含油清洗污水（PH<3）试验中，反应1h,每隔半小时采样化验COD（单位mg/L），试验结果如下：

。

将某机加工企业酸性含油清洗污水的pH值分别调至pH=4、pH=5、pH=6，应用实例二的Fe+Mn+石墨烯的混合物作为过滤吸附混合物层，反应1h，每隔半小时采样化验COD（单位mg/L），试验结果如下：

Figure 2013102125967100002DEST_PATH_IMAGE006

。

采用本发明的实施例一的一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺或实施例六的一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置处理污水，加碳量降至现有技术的铁碳微电解的用量的1/10，在一小时内COD的去除率高达 81.38%，反应速率高达现有技术的铁碳微电解技术的6.7倍以上。

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

1.一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺，其特征在于：它包括以下步骤：

a.设置含填料及石墨烯材料的过滤吸附混合物层；

b.输入污水，污水经过过滤吸附混合物层；

d.出水。

2.根据权利要求1所述的一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺，其特征在于：所述步骤b具体为：以切线方向输入污水，污水经过过滤吸附混合物层。

3.根据权利要求1所述的一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺，其特征在于：所述步骤b具体为：输入污水和双氧水，污水和双氧水同时经过过滤吸附混合物层。

4.根据权利要求1所述的一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺，其特征在于：所述填料为金属填料和/或金属氧化物填料，所述污水的pH值为4~6。

5.根据权利要求1所述的一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的工艺，其特征在于：所述步骤b具体为：输入污水，污水经过过滤吸附混合物层时，同时向过滤吸附混合物层输入空气进行鼓风曝气。

6.一种应用于权利要求1~5任意一项所述的利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置，其特征在于：它包括装置本体，所述装置本体由上而下设置有进水装置、过滤吸附装置、支承装置、出水装置，所述进水装置设有供污水输入的进水口，所述过滤吸附装置设有含填料及石墨烯材料的过滤吸附混合物层，所述出水装置设有供处理后的水排出的出水口。

7.根据权利要求6所述的一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置，其特征在于：所述进水口以切线方向设置于进水装置。

8.根据权利要求6所述的一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置，其特征在于：所述石墨烯材料为多层石墨烯、石墨烯改性材料中的一种或者两种的混合物；所述填料为金属填料和/或金属氧化物填料；所述金属填料为铝填料、铜填料、铁填料、锰填料中的一种或者两种以上的混合物；所述金属氧化物填料为氧化锰填料、氧化铁填料中的一种或者两种的混合物。

9.根据权利要求6所述的一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置，其特征在于：它还包括曝气装置，所述曝气装置包括压缩空气管和曝气盘，所述曝气盘设置于所述支承装置的下方，所述压缩空气管连接一空气泵。

10.根据权利要求6所述的一种利用石墨烯连续过滤吸附处理污水的装置，其特征在于：它还包括双氧水输送管，所述双氧水输送管与所述进水装置连通；所述支承装置包括具有通孔的支承架和/或筛网，所述过滤吸附装置设有视窗和/或入料孔。