CN106311189B - 一种量子碳素磁性介质的制备、活化及污水处理方法 - Google Patents

一种量子碳素磁性介质的制备、活化及污水处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种量子碳素磁性介质的制备、活化及污水处理方法。该方法本发明提供的量子碳素磁性介质表面分布有羧基和羰基和随机分布的羟基和环氧基，表面大量的羟基和羧基增加了量子碳素表面的负电密度，加强了与金属离子发生强络合作用和静电作用，促进金属离子的吸附，大量官能团的存在为量子碳素粒子提供了丰富的吸附位点，能够特殊且有效地分离和吸附水中的重金属离子，提高金属离子的处理效率。

Description

一种量子碳素磁性介质的制备、活化及污水处理方法
技术领域
本发明涉及一种金属处理装置及方法，属于环保技术领域，具体是涉及一种污水中的金属处理装置及方法。
背景技术
废水中所含的重金属对环境和人体健康危害大、持续时间长。大量未经处理的废弃物向土壤系统转移，并在自然因素的作用下汇集、残留于土壤环境中。土壤污染主要以重金属污染为主，其中镉、汞、铅、砷污染最为突出，废水中含有的铬(Cr)、砷(As)、镉(Cd)、锌(Zn)、镍(Ni)等重金属离子具有难降解、不可逆、毒性大和易被生物富集等特点，微量即可产生毒性效应，危害极大。
污染水的传统处理方法有：化学沉淀、离子交换、吸附、膜分离、氧化还原、电解及萃取等，但这些方法往往受水温、pH值、水质等因素的影响较大，对某些可溶物质去除率低，而且存在二次污染。对于土壤有机物和重金属治理修复已有较多的技术，包括常用的有物理化学方法、植物修复法、微生物修复法、土壤洗淋回填法等的技术。目前，土壤的修复工程中，比较普及应用的方法是将土壤中的污染物通过洗淋回收到洗淋水中，处理后的土壤回填，洗淋后的污染水再进行水处理。
将磁分离技术应用在废水处理，尤其是超导高梯度磁分离技术处理重金属废水有其独特的优势。对于废水中弱磁性及无磁性污染物，可以通过各种特性的磁性介质的吸着方法，快速地磁分离处理。由于磁分离处理系统低成本、小空间、高效率和高速处理等优点，成为近年来新兴的科研方向。实现重金属污水磁分离包含两方面工作，一是超导磁体，二是磁种。超导磁体装备已是非常成熟的技术，可以方便地从商业产品中得到。磁分离关键问题是如何制备高品质的磁种以及磁分离的具体工艺。
光催化氧化法是目前研究较多的一项高级氧化技术，是一种环境友好型绿色水处理技术,它能够彻底氧化降解污水中的有机污染物。结合一定量的光辐射，光敏介质材料在光的照射下表面受激励而产生电子(e-)和空穴(h+)。这些电子和空穴具有很强的还原和氧化能力，能与水或容存的氧反应，产生氢氧根自由基(·OH)和超级阴氧离子(·O)。这些氧化性极强的自由基，几乎能将所有构成有机物分子的化学键切断分解，达到无害化处理。但目前光催化氧化方法的催化剂利用率和回收率低,有待通过提高催化剂效率，采用光生电子和空穴复合,以及其他处理技术来共同提高反应效率等方面问题。
超导高梯度磁分离技术以独特分离原理和诸多优点，已成为最有发展前途的新型污水处理技术之一。随着技术理论和设备不断发展，其应用领域日益增加，在工业废水、生活污水、污染河水及湖水以及在处理污泥和废水中的弱磁及无磁性污染物方面具有独特的优势，利用磁性功能的吸附材料，已经得到众多的研究和小规模应用。同样光催化氧化方法也具有极为优秀的特点。但这两项技术仍没有得到应有的普及和大规模化工程应用的案例，其原因在于缺乏高效、经济、合理的技术配备等问题，尤其是设备磁分离方法和功能性的磁性吸附材料是否能够很好地匹配，关系到磁分离技术的特征能否充分地发挥出来。光催化氧化是光反应介质在特定波长光源的照射下才能产生催化作用，能否开发出光反应介质在更宽域的光谱作用下发生催化反应，也是当今该领域重要的课题之一。
针对这些问题，本发明人在长期系统开发和基础材料研究的基础上，提出了一种新的量子碳素磁性介质作为磁吸附材料，并在此基础上，对污水处理工艺进行改进，提高了污水中金属离子的吸附效率
发明内容
本发明主要目的是解决现有技术中存在的污水金属污染处理效能低下的技术问题，提供了一种量子碳素磁性介质的制备、活化及污水处理方法。方法利用量子碳素磁性介质作为磁性吸附材料，能够快速吸附液体中的各种金属离子，并在强磁场的作用下被吸附到三维顺磁金属链网中，通过金属链网的机械传动将量子碳素磁介质带出并回收。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种量子碳素磁性介质的制备方法，包括：
(1)将质量比为(2.8-3.2):1的H12Cl3FeO6和FeC12·4H2O溶于离子水中，升温并滴加浓氨水至溶液pH为9左右充分反应，其中，每100ml离子水加入的溶质重量为：6.5-7.5g；
(2)反应完后将烧瓶中液体转入烧杯中，静置沉淀后移除上清液，加入去离子水洗涤至pH为中性，得到纳米四氧化三铁；
(3)将容器置于磁场区域，将水滤干后再加入去离子水与量子碳素液得到混合液，其中，去离子水、纳米四氧化三铁、量子碳素液的比值为：100ml：(3-3.6mg)：(60-70ml)；再加入果壳活性炭并搅拌，其中，每100ml混合液加入1.9-2.1g果壳活性炭；
(4)将容器置于磁场区域，将水滤干后置于电热烘箱中烘干；将烘干的介质焙烧活化后冷却，将冷却后产物研磨粉碎至80um-120um之间的产物即得量子碳素磁性介质。
优化的，上的一种量子碳素磁性介质的制备方法，所述步骤(1)中，采用水浴加热升温至40～60℃后滴加浓氨水至溶液pH为9左右，反应时间1小时以上，升温过程中通入氮气保护。
优化的，上的一种量子碳素磁性介质的制备方法，所述步骤(3)中，加入果壳活性炭后搅拌转速为400～600r/min，搅拌时间20～60分钟。
优化的，上的一种量子碳素磁性介质的制备方法，所述步骤(4)中，将介质置于马弗炉无氧气氛中焙烧活化后冷却。
优化的，上的一种量子碳素磁性介质的制备方法，所述量子碳素液的ORP为280mv-500mv、电导率σ为1-10ms/cm、电动势为280mv-380mv、pH值为1.2-3.2、浓度为0.1％-0.45％，溶质是粒径为0.6nm-10nm的氧化石墨烯片，石墨烯粒子表层的氧含量为35％-54％。
一种量子碳素磁性介质的活化方法，包括：
(1)将回收的量子碳素磁性介质和去离子水按1:1～3的比例置于超声波容器中，搅拌并且超声波进行震动；
(2)将步骤(1)的混合物过滤后再加新的同样量的去离子水继续搅拌超声处理；重复(1)和(2)的方法若干次后，滤干并干燥；
(3)将干燥的介质焙烧活化后冷却，将冷却后产物研磨筛分至80um-120um之间即得活化的磁性介质产物。
优化的，上述的一种量子碳素磁性介质的活化方法，所述超声波的频率为20～30KHz，处理时长为1～3小时。
一种利用上述任一权利要求所述的量子碳素磁性介质进行污水处理的方法，包括：将量子碳素磁性介质与污水混合，利用磁体将吸附了金属离子的量子碳素磁性介质从污水中分离。
优化的，上述的污水处理的方法，包括：混合了量子碳素磁性介质的待处理液体通入置于磁场区域的磁分离罐(7)内，利用磁分离罐(7)内设置的可转动的金属链网将吸附了金属的量子碳素磁性介质带出磁分离罐(7)，利用空吹喇叭口将量子碳素磁性介质从金属链网上吹出，利用固气分离器将量子碳素磁性介质从气流中分离。
优化的，上述的污水处理的方法，还包括：分离出的量子碳素磁性介质进行活化的步骤。
因此，本发明具有如下优点：1.本发明提供的量子碳素磁性介质表面分布有羧基和羰基和随机分布的羟基和环氧基，表面大量的羟基和羧基增加了量子碳素表面的负电密度，加强了与金属离子发生强络合作用和静电作用，促进金属离子的吸附，大量官能团的存在为量子碳素粒子提供了丰富的吸附位点，能够特殊且有效地分离和吸附水中的重金属离子，提高金属离子的处理效率；
2.本发明利用高梯度磁场磁化顺磁金属链网来吸附水中的量子碳素磁性介质，被吸的量子碳素磁性介质通过金属顺磁链网提升到空压机构进行分离和回收，并降低了磁分离的成本。
附图说明
图1是污水处理流程示意图；
图2-1是污水处理装置系统的重金属处理部分示意图；
图2-2是污水处理装置系统的有机物处理部分示意图；
图3是磁分离系统结构示意图；
图4-1是超导磁体外形主视图；
图4-2是超导磁体外形俯视图；
图5是磁种回收再利用系统；
图6-1是三维顺磁金属链网主视图；
图6-2是三维顺磁金属链网侧视图；
图7是磁介质提取机构的空吹喇叭口示意图；
图8-1是磁介质提取机构空吹喇叭口详细图；
图8-2是图8-1的底部视图；
图8-3是图8-1的左视图；
图9是溶氧微泡发生器结构示意图；
图10-1是溶氧微泡发生器的金属片A1的结构示意图；
图10-2是图10-1的侧视示意图；
图10-3是溶氧微泡发生器的金属片B1的结构示意图；
图10-4是图10-3的侧视示意图；
图10-5是溶氧微泡发生器的金属片A2的结构示意图；
图10-6是图10-5的侧视示意图；
图10-7是溶氧微泡发生器的金属片B2的结构示意图；
图10-8是图10-7的侧视示意图；
图10-9是溶氧微泡发生器的金属片C的结构示意图；
图10-10是图10-9的侧视示意图；
图10-11是溶氧微泡发生器的金属片D的结构示意图；
图10-12是图10-11的侧视示意图；
图10-13是溶氧微泡发生器的金属片A1和B1叠加的结构示意图；
图10-14是溶氧微泡发生器的金属片A2和B2叠加的结构示意图；
图10-15是溶氧微泡发生器的金属片A和B叠加的结构示意图；
图11是溶氧微泡发生器各金属片组合后的结构示意图；
图12是微泡尺寸与密度示意图；
图13是微泡离子形态；
图14是光反应器结构示意图；
图15是金属纤维烧结毡过滤器结构示意图；
图16是电镀有机油墨厂废水处理效果和介质循环统计数据；
图17-1是某印刷电路板工厂废水处理效果示意图1。
图17-2是某印刷电路板工厂废水处理效果示意图2。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
图中，污水收集罐1、制冷机控制柜2、混合罐3、搅拌系统4、系统控制柜5、超导体6、冷冻机6-1、磁场区域6-2、磁场中心6-3、超导本体6-4、电流端子6-5、冷媒进口6-6、冷媒出口6-7、真空排气口6-8、温度监测6-9、磁分离罐体7、溢流口7-1、磁介质提取机构8、主动轮8-1、从动轮8-2、张紧轮8-3，吸气口8-4、吹气口8-5、三维顺磁金属链网8-6、气道8-7、固定板8-8、喇叭口8-9、磁性介质收集系统9、第一旋风固气分离器9-1、第二旋风固气分离器9-2、风管9-3、量子碳素光反应介质混合罐10、量子碳素光反应介质投放口10-1、溶氧微泡发生器11、定位螺栓11-1、溶氧微泡发生器壳体11-2、光反应器12、光源端盖12-1、出口12-2、金属外筒12-3、反光层12-4、光源12-5、入口12-6、一级沉淀池13、二级沉淀池14、净水过滤器15、净水出口15-1、净水装置壳体15-2、过滤体15-3、进水泵P1、污水泵P2、空压泵P3、光反应压力泵P4、回收泵P5、排水泵P6、一级返回阀F1、一级取样阀F2、进水阀F3、回收阀F4、光反应进口阀F5、光反应出口阀F6、量子碳素光反应介质回收阀F7、量子碳素光反应介质二级回收阀F8、反冲清洗阀F9、反冲截止阀F10、二级返回阀F11、排放阀F12、二级取样阀F13、压力反冲表V1、负压表V2、
一、污水处理工艺及系统结构
图1是本实施例的污水处理工艺，该工艺所使用的污水净化系统包括依次联通的污水收集罐、混合罐、超导磁分离系统、光催化反应设备，其中还包括超导磁性介质回收再利用的磁介质循环装置和量子碳素光反应介质循环装置。
本实施例的污水净化系统是由重金属处理和有机物处理两个部分组成并用的系统，是将污水中的重金属和有机污染物分别进行处理的方法。尤其是两种联合处理的方法中，本发明提供的磁性吸附介质和量子碳素光反应介质配合污水净化系统，特殊且有效地分离和分解水中的重金属、有机污染物。
本发明所述的污水净化系统，所用的超导磁分离机构包括超导磁体，超导磁体可以拆卸、更换为低温超导磁体或高温超导磁体，超导磁体向超导分离装置内部提供预定高梯度磁场。在磁场中设置有金属顺磁链网提取机构，顺磁链网在高梯度磁场中被磁化，吸附水中的磁性物质。被吸的磁性物质，通过金属顺磁链网提升到空压机构进行分离，从而达到磁分离的效果。所述磁性物质是由本发明提供的量子碳素磁性介质。
本发明所述的污水净化系统，所用的光反应处理机构包括1组或多组光反应器，量子碳素光反应介质以特定的尺寸和比重参与光反应器的反应。通过自然沉淀方法进行固液分离，量子碳素光反应介质通过循环系统循环使用。所述量子碳素光反应介质由本发明的制备的量子碳素光反应介质。水经磁分离和光反应处理后，再通过高精度的金属纤维烧结毡过滤体过滤而得到达标清洁水。
图2-1和图2-2是本实施例污水处理系统的一个可选的具体实施系统结构示意图。其中，图2-1中的A1口连接图2-2中的A2口。
其中，重金属处理部分如图2-1所示，具体包括：污水收集罐1，污水收集罐1的底部通过污水泵P2与混合罐3相连；混合罐3设置有用于搅拌缺罐体内部的搅拌装置4，混合罐3的底部通过进水泵P1与磁分离罐体7相连；磁分离罐体7上设置有磁介质提取机构8，该磁介质提取机构8与磁性介质收集系统9相连；磁性介质收集系统9的回收口与混合罐3相通；磁性介质收集系统9包括两个与空压泵P3相连的两个相对设置的空吹喇叭口，两个气嘴相对设置于三维顺磁金属链网8-6的两侧，其中一个气嘴用于产生正压，另一个产生负压；从而将磁性介质从三维顺磁金属链网8-6上提走。磁分离罐体7位于超导体6的磁场范围内，该超导体6连接制冷机2和系统控制柜5相连。
图2-2是有机物处理部分，具体包括：与磁分离罐体7上方溢流口相连的量子碳素光反应介质混合罐10，量子碳素光反应介质混合罐10的底部通过光反应压力泵P4与溶氧微泡发生器11相连；溶氧微泡发生器11依次与光反应器12、一级沉淀池13、二级沉淀池14、净水过滤器15相连。
其中，一级沉淀池13、二级沉淀池14的底部通过回收泵P5和回收阀F4与量子碳素光反应介质混合罐10相连。
本实施例在与磁分离罐体7上方溢流口相连的管道上设置有取样检测口。该管道通过一级返回阀F1与污水收集罐1相连，通过一级取样阀F2与取样检测口相连，通过进水阀F3与量子碳素光反应介质混合罐10相连，
下面具体说明本实施例的污水处理流程。本实施例中，针对重金属处理和有机物处理分别采用了相对应的离子处理步骤和有机物分解步骤，下面分别进行介绍。
其中，离子处理步骤，具体包括以下子步骤：
步骤1、污水进入污水收集罐1后，通过污水泵P2定量进入混合罐3，混合罐3的上方设有磁性介质投放口，由第一旋风固气分离器9-1下方投放口根据浓度要求定量的提供量子碳素磁性介质，并在搅拌系统4的搅拌下进行充分混合。
步骤2、由进水泵P1将混合均匀的液体通过管道直接输送到磁分离罐体7。
步骤3、磁分离罐体7连接超导磁体6，超导磁体6向磁分离罐体7内部提供0.5T-5T强度的磁场。磁分离罐体7根据入口来的混合液的流体性质和磁场性质设计出的导流面板，该导流板可以是在混合液入口下方设置的45°平板，磁介质提取机构8中的金属链网下半段置于磁分离罐体7内液体中，混合液经导流面板流向的走向首先经过磁介质提取机构8中的金属链网，混合液的磁性物质在强磁场的吸附下全部吸到如图6-1所示的三维顺磁金属链网上，并输送到磁性介质回收再利用系统循环再利用。混合液中的非磁性大颗粒物质沉淀到7磁分离罐体下部，并定期的排除沉淀物(排泥)，混合液磁分离后的清洁物体通过磁分离罐上方的溢流口连续溢流排出。超导体与制冷控制柜2相连接。保持强磁场的控制。系统控制柜5对系统进行控制。
本实施中，有机物分解步骤具体包括以下子步骤：
步骤1，磁分离后的水经过经过磁分离罐体7的溢流口流出，经阀F2在取样检测口1处取样检测重金属各项指标，未达标水体将经过阀F1重新返回污水收集罐1进行再处理。取样检测达标后阀F1、F2关闭，打开F3进入光反应系统。
步骤2，将水体经过阀F3进入量子碳素光反应介质混合罐10，量子碳素光反应介质混合罐10上方有量子碳素光反应介质投放口，量子碳素光反应介质投放口根据浓度要求定量的投放量子碳素光反应介质，在混合罐中充分混合后，混合液经泵P4给予一定的动力压强，通过溶氧微泡发生器11，进行充分的溶氧发生反应之后，经过阀F5进入光反应器12，光反应器12是由至少一组或多组组成，光反应器反应后的混合液经阀F6进入一级沉淀池13。
步骤3，一级沉淀池13进行沉淀式固液分离，量子碳素光反应介质沉淀到一级沉淀池13的底部，分离的水溢流到二级沉淀池14，沉淀的量子碳素光反应介质在底部成为液浆状态，量子碳素光反应介质浆料经阀F7和泵P5以及阀F4重新返回到量子碳素光反应介质混合罐10进行混合的循环再利用。
步骤4，二级混合罐将水中的残留量子碳素光反应介质继续沉淀分离，底部的量子碳素光反应介质浆料经阀F8和泵P5以及阀F4重新返回到量子碳素光反应介质混合罐10进行混合的循环再利用。二级混合罐上清液经由净水过滤器15、阀F10、压力表V1以及泵P6得到清洁的水，水经过阀F13在取样检测口2取样检测，达标的水经过阀F13直排，未达标的水经过阀F11及泵P5、阀F4重新返回量子碳素光反应介质混合罐10重新处理。
二、磁分离及磁介质回收
如图3所示，磁分离系统是由超导磁体6、磁分离罐体7、磁介质提取机构8、吸附机构组成，超导磁体6可以是高温超导磁体，也可以是低温超导磁体。
磁分离罐体7包括磁分离罐体，磁分离罐体上设置有进液口、溢流口、排泥口，其中，溢流口优选设置于磁分离罐体顶部位置。
进液口和溢流口7-1分别位于所述金属链网的两侧，并且，所述磁分离罐体7上设置进液口的一侧设置有分级向内缩进的结构，每级的外壁相互平行，每级之间设置有倾斜45度的的变径段。
待处理液体从进液口进入到磁分离罐体内部后进行处理，处理完的液底从溢流口排出，液体中的沉淀杂志从底部的排泥口排出。在磁分离罐体内部设置有金属链网，该金属链网的一端与磁分离罐体内部的从动轮绞接，另一端延伸与磁介质提取机构并与8内部的滚筒绞接，磁分离罐体中部设置有若干个与金属链网相接的紧张轮。
在磁分离罐体位于超导磁体6提供的磁场区域内，超导磁体外形如图4-1、图4-2所示。具体包括：超导本体，超导本体内部设置有真空排气口和电流端子，冷媒进口，冷媒出口。超导磁体的外形尺寸是根据磁分离系统的需要而设计，超导磁体可以是高温超导磁体，也可以是低温超导磁体。中心磁场强度为2T-5T，冷冻机冷媒为液氦或液氮。作为举例，选用低温超导磁体，冷媒为液氦，电流端子向超导本体内输送电流114A，温度监测控制是4K，真空排气为10-6hPa，磁场中心为2T，为磁分离系统提供高梯度磁场。
磁介质提取机构8与磁介质循环装置如图5所示。该磁介质提取机构8内部设置有主动轮，金属链网的一端铰接于该主动轮上。磁介质提取机构8上有两个相对设置的空吹喇叭口，金属链网位于两个空吹喇叭口之间，其中一个空吹喇叭口与空气泵P3的正压端相连，另一端依次连接若干个固气分离器并与空气泵P3的负载压相通。本实施例中，优选连接两个旋风固气分离器。
采用上述结构后，空吹喇叭口与由空气泵P3提供循环空压动力，正压空气通过风管送到空吹喇叭口，对三维顺磁金属链网上吸附的磁性物质进行空吹脱离，同时空气泵P3的另一端管道产生负压，对三维顺磁金属链网上的磁性物质进行负压吸收。
旋风固气分离器进行两次固气分离来达到回收磁性物质的目的。其中，旋风固气分离器收集到的量子碳素磁性介质可以根据系统要求定量地向混合罐3提供磁性介质。作为举例，优选空气泵P选用风量为8.0m3/min、静压为16KPa、功率为88KW的空气泵，但不限于本例，作为风管产生静压可以在10KPa-30KPa的范围。
本实施例中的金属链网如图6-1、图6-2所示。该金属链网是由顺磁金属制备的具有三维空间的金属网，即“三维顺磁金属链网”。其包括：多个横轴，相邻横轴的端部通过链环连接，横轴上设置有链网面，该链网面由链丝呈波浪形在三维空间中缠绕而成。使用时，该三维空间的金属网在高梯度磁场中被磁化，将混合液中的磁性物质吸附到金属链网的三维空间中，链网的运动携带磁性物质一同运输到磁介质提取机构8。原则上，所有顺磁金属都可以利用，金属链网的三维几何空间也可以多种结构形态。作为举例，优选顺磁材料为SUS316，三维空间网为的SUS316钢丝缠绕的螺旋管，螺管径15mm，螺距为6mm，管与管之间由钢丝衔接。
本实施例的空吹喇叭口如图7所示。其由一对几何尺寸相同并相对的喇叭吹气口和吸气口组成，吹气口中间有相应宽度的三维顺磁金属链网，吹气口和吸气口的静压相等，但吹气口是正压，吸气口是负压，形成对三维顺磁金属链网上磁性物质的吸收和脱离功能。吹气口、三维顺磁金属链网、吸气口之间的几何尺寸和方位可以适宜的任意调整。作为举例，吹气口和吸气口之间的距离为30mm，三维顺磁金属链网置于正中间。
图8-1至图8-3是本实施例喇叭口详细图。主要包括：气管、喇叭口、固定板。吹气和吸气的喇叭口的几何尺寸相同且可以适宜的调整。作为举例，本发明发现最优选择是空气静压在16KPa时，吹气和吸气的喇叭口的几何尺寸最佳为7mm×600mm，材质为SUS304。
三、有机物分解及量子碳素光反应介质回收
有机物分解部分主要包括量子碳素光反应介质混合罐、溶氧微泡发生器、光反应器等部分。其中，量子碳素光反应介质混合罐主要用于污水和量子碳素光反应介质的混合。下面对主要部件进行介绍。
1、溶氧微泡发生器
经过磁分离后的液体从磁分离罐体7的溢流口流出后进入量子碳素光反应介质混合罐10，然后经光反应压力泵P4进入溶氧微泡发生器11。
溶氧微泡发生器11如图9所示，分为两部分，分别是微泡腔和多径腔。
其中，微泡腔内设置有多个溶氧反应单元，每个溶氧反应单元包括多块通孔金属片。
金属片的形状如图10-1至图10-15所示。图中，A1片和B1片是六边形均匀排列的通孔金属片，六边形通孔尺寸相同，在A1片和B1片上的排列不同，当A1片和B1片重合时，A1片上的每一个六边形通孔的圆心是B1片上三个相邻六边形通孔的最近外相交点，图中，A1-B1为重合后示意图。
A2片和B2片是圆形均匀排列的通孔金属片，圆形通孔尺寸相同，在A2片和B2片上的排列不同，当A2片和B2片重合时，A2片上的每一个圆形通孔的圆心是B2片上的三个相邻圆形通孔的最近外相交点，即A2上每一个圆形孔的圆心与B2片上三个相邻圆形孔的圆心距离相同，A2-B2为重合后示意图。
C片为外圆部分开有多个弧形通孔的金属板，其中间开有五个限位螺栓孔。
D片为中间开有通孔的金属板。当A1片和D片重合时，A1片上的六角形通孔就形成了一个微型反应釜空间。同样A2片、B1片、B2片都有相同的效果。图11溶氧微泡发生器原理图中是由A片、B片、C片、D片组合的结构，组合后形成了一个微型反应釜，每个微型反应釜与相邻的反应釜相通，构成了液体介质在不同的空间、压力、温度、射流等状态下连续流动并参与反应的多重微型反应釜。
在图9溶氧微泡发生器中，由一个单元或多个单元组成，液体介质通过微泡腔后进入多径腔。多径腔内设置A腔、B腔、C腔、D腔、E腔。各腔体的直径不同并发生突变，液体介质在流速不同和正负压不同的环境下参与反应，液体介质中的溶氧在激烈的拉伸和压缩状态下产生大量的离子化微粒。
例如，对于溶氧微泡发生器前端的单元反应器件，优选3-5组单元反应器组成。后端A腔、B腔、C腔、D腔、E腔的管径的比例尺寸适宜的任意选择，其中D腔为锥形腔，锥度为1:1，管径为出口径，E腔为开放式腔体，E腔的进口径等于D腔的出口径，E腔的管径≥D腔的管径。各腔的管径优选比例为3:1.5:4:1:1。溶氧微泡发生器入口端由泵P4提供3-5kg/cm2。
采用上述结构后，量子碳素光反应介质和处理水的液体经过图9溶氧微泡发生器时，发生器前端的多重微反应釜产生大量的液体中的溶氧微泡，实验检测得到图12微泡尺寸与密度的频度图，图中纵轴的数量级是106，显示本例的结果是频度最大数直径为100nm，频度峰直径约为20nm(50％粒子数)，约有12亿个粒子数/cm3，频度最小值直径约25nm。大量的溶氧微泡经过发生器后端的反应后，液体的介质表面和溶氧微泡表面产生了微泡离子的形态，图13微泡离子形态用建立模型来显示出离子电场状态的示意图。
2.光反应器原理及结构
图14是本发明的光反应器结构图。由金属外筒、反光层、灯管、光源端盖、入口、出口组成。其中，灯管设置于金属外筒内部，灯管和外筒之间设置有反光层，金属外筒下端设置液体进口，上端设置出口。
经过溶氧微泡发生器的液体，携带大量的溶氧离子并附着在量子碳素光反应介质表层上经光反应器入口进入光反应器进行反应，这种现象形成了紫外光、量子碳素光反应介质、溶氧微泡和水的协同关系，十分有利于提高光催化反应效率，对于量子碳素光反应介质分解产生羟基自由基等强氧化剂的速率和促进有机物的氧化去除率有大幅提高。量子碳素光反应介质有多种光反应物质，主要有TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO2等。在200nm-400nm波长的光源照射下，光反应物质产生大量的强活性氧化物质，如OH-、O2、H等强氧化剂，几乎对所有的有机物或有些无机物进行比较彻底地氧化分解，产生出无危害的物质H2O、CO2等。本发明举例，光反应器在本发明系统中，至少一组，优选4组。介质是本发明制备的粒状量子碳素光反应介质，粒径为10um-100um，优选30um-60um，处理水中投放量为0.1％-1.2％(质量比)，优选0.5％-1％(质量比)。光源优选6-8w的主波长为315nm-400nm的紫外线灯，光的强度为1mW/cm2。罐体优选SUS316，罐体内侧设有反光层，反光层可以选用具有反光功能的材料，优选亚克力镀汞工艺的反光产品，贴附在罐体内侧。混合液以30L/min的流量从出口输出。
3.净水过滤器原理及结构
经过光反应后的液体进入一级沉淀池13、二级沉淀池14。二级沉淀池14内设置有净水过滤器15。净水过滤器15结构如图15所示。包括：壳体，壳体上开有过滤孔，过滤孔上设置有过滤体，壳体内部设置有净水出口。经过两次沉淀的清水再经过净水过滤器净化处理。本发明的案例优选金属壳体为SUS316，过滤网可以使用各种具体高精密的过滤网，优选金属纤维烧结毡过滤体，过滤精度为3-10um，经过净水过滤器的水质能够达到标准要求。
四、磁性介质制备及活化方法
在此对本实施例进行磁分离时所采用的量子碳素磁性介质液溶液的制备方法和活化方法进行介绍。
1、磁性介质制制备方法
本实施例中，量子碳素磁介质的制备方法如以下两个实施例所示。
实施例1：
(1)将质量比为(2.8-3.2):1的H12Cl3FeO6和FeC12·4H2O溶于离子水中，其中，每100ml离子水加入的溶质重量为：6.5-7.5g；
(2)然后将步骤(1)的溶液采用水浴加热，并不断搅拌进行升温，升温过程中通入氮气保护，升温到40～60℃后滴加浓氨水至溶液pH为9左右，保持温度稳定，反应时间1小时以上；
(3)反应完后将烧瓶中液体转入烧杯中，静置沉淀；
(4)将静置沉淀后混合物的上清液移出，加入去离子水洗涤三次至洗涤液pH为7左右，得到纳米四氧化三铁；
(5)用磁铁在烧杯底部吸附，将水滤干后再加入去离子水与量子碳素液，其中，去离子水、纳米四氧化三铁、量子碳素液的比值为：100ml：(3-3.6mg)：(60-70ml)；
(6)将果壳活性炭加入步骤(5)混合物，同时搅拌，转速400～600r/min，搅拌时间20～60分钟；其中，每100ml混合物溶液加入1.9-2.1g果壳活性炭；
(7)用磁铁在烧杯底部吸附，将水滤干后置于电热烘箱中烘干；
(8)将烘干的介质置于马弗炉无氧气氛中焙烧活化后冷却；
(9)将冷却后产物研磨粉碎至80um-120um之间的产物即得量子碳素磁性介质。
其中，H12Cl3FeO6为六水三氯化铁。
实施例2：
(1)将25.3g的H12Cl3FeO6和8.6g的FeC12·4H2O，溶于500ml去离子水烧杯中，完全溶解后转移到三颈烧瓶中；
(2)将三颈烧瓶在水浴槽中加热，不断搅拌，升温过程中通入氮气保护；
(3)升温到60℃滴加浓氨水，控制PH9左右；
(4)保持温度稳定，反应时间1小时；
(5)将瓶中液体转入烧杯中，静置沉淀；
(6)将上清水移出，加入去离子水洗涤三次，控制PH7左右，得到9.8克纳米四氧化三铁；
(7)用3000Gs永磁铁在烧杯底部吸附，将水滤干后再加入300ml去离子水；
(8)将200ml量子碳素液加入反应，同时搅拌，转速500r/min，搅拌时间30分钟；
(9)将9.8g果壳活性炭加入反应，同时搅拌，转速500r/min，搅拌时间30分钟；
(10)用3000Gs永磁铁在烧杯底部吸附，将水滤干后置于电热烘箱中100℃烘干；
(11)将烘干的介质置于马弗炉无氧气氛550℃中焙烧活化4小时，自然冷却。
(12)将冷却后产物研磨粉碎至80um-120um之间的产物就是本发明的量子碳素磁性介质。
其中，果壳活性炭为粒径50um-100um的核桃壳质地的植物碳，碘值为≥1200mg/g；强度≥95％。
本实施例中，量子碳素液为含有量子碳素的水溶液，所述量子碳素液的ORP为280mv-380mv、电导率σ为1-5ms/cm、电动势为280mv～380mv、pH值为1.5-3.2、溶质浓度为0.1％-0.45％。所述量子碳素液溶质为被氧化的单层石墨烯和多层石墨烯(≤10层)的碳素粒子(简称：量子碳素粒子)组成，所述单层石墨烯和多层石墨烯质量分数比为2-4:8-6。所述石墨烯是由sp2杂化的碳原子以六边形排列形成的周期性蜂窝状二维碳质材料，单层石墨烯厚度为0.335nm。被氧化的量子碳素粒子表面具有多种含氧基团，如羟基、羰基和羧基等活性基团，量子碳素粒子整体上氧含量的质量分数为40％-60％。
对于污水处理尤其是水中的金属离子通常情况下，重金属离子难以有效地通过生物法与化学法去除，因此，吸附法是当前相对最有效的去除重金属离子的方法之一，由于量子碳素粒子表面含有丰富的高活性含氧官能团，使得量子碳素粒子具有良好水溶性和易变化的化学活性，可以和金属离子发生作用。
量子碳素粒子表面分布有羧基和羰基和随机分布的羟基和环氧基，表面大量的羟基和羧基增加了量子碳素表面的负电密度，加强了与金属离子发生强络合作用和静电作用，促进金属离子的吸附。大量官能团的存在为量子碳素粒子提供了丰富的吸附位点，其结构特性使得量子碳素液成为一种高性能吸附材料。
通过本实施例的量子碳素磁性介质的制备，使量子碳素磁性介质具有超顺磁的特性，在污水中，量子碳素磁性介质快速吸附液体中的各种金属离子，并在强磁场的作用下被吸附到三维顺磁金属链网(图6-1)中，通过金属链网的机械传动，将量子碳素磁性介质并携带着被吸附的包括金属离子的污染物送至空吹、空吸喇叭口处。
2、磁性介质活化方法
量子碳素磁性介质在重复使用中，会因吸附趋向饱和而吸附能力下降。在本发明设备系统中的取样检测口1处的检测，处理水的任一指标在接近达标线之前，量子碳素磁性介质就要全部回收，更换新的介质。回收的量子碳素磁性介质进行活性化处理。活化处理步骤如下：
(1)将回收的量子碳素磁性介质和去离子水按1:3的比例置于超声波容器中，边搅拌边用25KHz频率的超声波进行处理1小时；
(2)滤出水再加新的同量的去离子水继续搅拌超声处理1小时；重复(1)和(2)的方法三次后滤干，100℃烘箱干燥；
(3)将干燥的介质置于马弗炉无氧气氛550℃中焙烧活化4小时，自然冷却。
(4)将冷却后产物研磨筛分至80um-120um之间的产物。
采用上述方法进行活化后的量子碳素磁性介质仍可保持95％以上的吸附活性能力。
五、量子碳素光反应介质制备及活化方法
在此对本实施例进行有机物分解过程中所使用的量子碳素光反应介质的制备方法及活化方法介绍如下。
1、量子碳素光反应介质的制备方法
实施例1
本实施例的量子碳素光反应介质制备方法如下：
(1)将量子碳素液、TiO2、高纯水以及适量N(CH3)4OH·5H2O搅拌混合并加热制备为浆液，其中，量子碳素液和TiO2的比值为:100ml：200g；将浆液放入烘箱中干燥固化得到Rh-C/TiO2产物；
(2)将Rh-C/TiO2产物、干燥沸石粉以及含有Pt金属重量1％的H3PtCl6·5.3H2O混合制备出浆液；
(3)将步骤(2)中的浆液干燥固化煅烧得到Rh-Pt-C-M/TiO2复合型光催化氧化体，冷却后研磨至200目到300目之间的产物即为光反应介质。
实施例2
本实施例的量子碳素光反应介质制备方法如下：
(1)将50gTiO2和50g沸石(M)分别分散到装有200ml高纯水的烧杯中，在室温下进行搅拌(搅拌转子用非金属)数分钟，将水除去。反复三次；
(2)在80℃真空干燥箱烘干备用。分别称取25ml的量子碳素液，50g的TiO2干燥的粉末以及含有Rh金属重量5％的Rh(NO3)3；
(3)将量子碳素液、TiO2、350ml高纯水以及N(CH3)4OH·5H2O加入到三颈烧瓶中加热混合，制备出温度为60℃的浆液(搅拌过程中每次少量的向烧瓶中缓慢加入Rh(NO3)3，保持60℃，搅拌1小时)；
(4)将浆液放入100℃烘箱中干燥固化12小时，得到Rh-C/TiO2产物；
(5)分别将得到Rh-C/TiO2产物、50g干燥沸石粉以及含有Pt金属重量1％的H3PtCl6·5.3H2O加入到三颈烧瓶中混合制备出浆液(搅拌过程中每次少量的向烧瓶中缓慢加入H3PtCl6·5.3H2O，搅拌1小时,静置6小时)；
(6)将浆液放入100℃烘箱中干燥固化12小时，然后放入380℃无氧气氛的电烘箱中，煅烧6小时，得到Rh-Pt-C-M/TiO2复合型光催化氧化体，冷却后在玛瑙锥体或玻璃锥体中研磨至200目到300目之间的产物就是本发明的量子碳素光反应介质。
本发明所述TiO2为气相法纳米二氧化钛TiO2P25(市场商品)，平均粒径的为25nm的锐钛矿和晶红石混合相的二氧化钛。本发明所述沸石(M)为粉碎至300目的丝光沸石。
其中，N(CH3)4OH·5H2O为四甲基氢氧化铵五水合物，H3PtCl6·5.3H2O为氯铂酸水合物。
2、量子碳素光反应介质活化方法
本发明制备的量子碳素光反应介质在重复使用中，可以长时间地保持催化氧化能力和活性度，其衰减缓慢。但在本发明设备系统中的取样检测口2处的检测，处理水的任一指标在接近达标线之前，量子碳素光反应介质就要全部回收，更换新的介质。回收的量子碳素光反应介质进行活性化处理。活化处理步骤如下：
(1)将回收的量子碳素光反应介质和去离子水按1:3的比例置于超声波容器中，边搅拌边用25KHz频率的超声波进行处理1小时；
(2)滤出水再加新的同量的去离子水继续搅拌超声处理1小时；
(3)重复(1)和(2)的方法三次后滤干，100℃烘箱干燥；
(4)将干燥的介质置于380℃无氧气氛的马弗炉中，煅烧4小时；
(5)冷却后研磨筛分至200目到300目之间的产物
采用上述方法进行活化后的量子碳素光反应介质仍可保持95％以上的催化氧化活性能力。
六、实施效果
针对本发明的方案，在此以两个工程实例对上述实施效果进行分析验证。具体介绍如下。
实施例1
某电镀有机油墨厂，该厂生产废水为300吨/天，生产线各个单元产生的废水集中收集，统一处理。进水水质各项指标和处理效果，如下表所示：
表1电镀有机油墨厂废水处理效果和介质循环统计数据
指标对比如图16所示，具体实施方案如下：
工厂的废水进入本发明的污染水净化设备系统中，量子碳素磁性介质投放量为污水的1.2％(重量比)，量子碳素光反应介质投放量为污水的1.5％(重量比)；超导磁体采用低温超导磁体(如图4-1，图4-2超导磁体外形图)，冷媒为液氦，电流端子向超导本体内输送电流114A，温度监测控制是4K，真空排气为10-6hPa，磁场中心为2T，为磁分离系统提供高梯度磁场。设备系统其它各个部分均按照本发明的优选参数进行的处理。处理结果完全达标，尤其是对于重金属的处理去除率96％以上，有的接近100％。从处理效果和介质循环统计数据中显示，量子碳素磁性介质和量子碳素光反应介质在经过重复20次废水处理后，化学需氧量CODcr的去除率仍保持在96％-97％之间；氨氮的去除率保持在97％-98％之间；总铜的去除率保持在98％-99％之间；总铅的去除率保持在97％-99％之间；总磷的去除率保持在97％-99％之间；pH值稳定在6-9之间，说明量子碳素磁性介质和量子碳素光反应介质在协同使用中，经过20次重复使用后仍然还保持着很高的协同活性能力。
实施例2
某印刷电路板工厂废水的重复使用实验，该厂生产废水为30吨/天，生产线各个单元产生的废水集中收集，统一处理。进水水质各项指标和处理效果，统计数据如下表所示，某印刷电路板工厂废水处理效果和介质循环统计数据如下表所示：
表2某印刷电路板工厂废水处理效果和介质循环统计数据
其效果对比如图17-1，图17-2所示。具体实施方案如下：
工厂的废水进入本发明的污染水净化设备系统中，量子碳素磁性介质投放量为污水的1.0％(重量比)，量子碳素光反应介质投放量为污水的1.2％(重量比)；设备系统其它各个部分均按照本发明的优选参数进行的处理。处理结果完全达标，尤其是对于提高COD和氨氮等指标有显著效果。从处理效果和介质循环统计数据中显示，量子碳素磁性介质和量子碳素光反应介质在经过重复10次废水处理后，化学需氧量CODcr的去除率保持在91％-93％之间；氨氮的去除率保持在94％-97％之间；浊度保持在3.2-4.4之间；pH值稳定在6-9之间，说明量子碳素磁性介质和量子碳素光反应介质在协同使用中，经过10次重复使用后，仍然还保持着很高的协同活性能力。
本发明所述的污水包括但不限于各种工厂排放污水，如电镀厂、印刷厂、化学品厂、电子工业工厂、造纸厂、食品厂等排放污水。也包括城市污水以及日常生活排放污水。还包括河水、地表水、地下水等。所述废水可以通过废水处理厂进行集中净化处理。
本发明所述的污水中的污染物包括多种物质，如铬(Cr)、砷(As)、镉(Cd)、锌(Zn)、镍(Ni)、汞(Hg)、铅(Pb)等重金属离子。还包括有机物质、导致COD(化学需氧量)、BOD(生物需氧量)和TOC(总有机碳)指数升高的物质。这些物质仅作为举例，但不仅限于此，还包括比如细菌、病毒等特殊的化学结构。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种污水中重金属处理的方法，其特征在于，包括：
步骤1、污水进入污水收集罐（1）后，通过污水泵（P2）定量进入混合罐（3），混合罐（3）的上方设有磁性介质投放口，由第一旋风固气分离器（9-1）下方投放口根据浓度要求定量的提供量子碳素磁性介质，并在搅拌系统（4）的搅拌下进行充分混合；
步骤2、由进水泵（P1）将混合均匀的液体通过管道直接输送到磁分离罐体（7）；
步骤3、磁分离罐体（7）连接超导磁体（6），超导磁体（6）向磁分离罐体（7）内部提供0.5T-5T 强度的磁场；磁分离罐体（7）根据入口来的混合液的流体性质和磁场性质设计出的导流面板，该导流面板是在混合液入口下方设置的45°平板，磁介质提取机构（8）中的金属链网下半段置于磁分离罐体（7）内液体中，混合液经导流面板流向的走向首先经过磁介质提取机构（8）中的金属链网，混合液的磁性物质在强磁场的吸附下全部吸到三维顺磁金属链网上，并输送到磁性介质回收再利用系统循环再利用；混合液中的非磁性大颗粒物质沉淀到磁分离罐体（7）下部，并定期的排除沉淀物，混合液磁分离后的清洁物体通过磁分离罐上方的溢流口连续溢流排出；超导磁体（6）与制冷控制柜（ 2） 相连接；保持强磁场的控制；系统控制柜（5）对系统进行控制；
其中，所述量子碳素磁介质的制备包括以下步骤：
（1）将质量比为（2.8-3.2）:1的H12Cl3FeO6和FeC12·4H2O溶于离子水中，升温并滴加浓氨水至溶液pH为9进行充分反应，其中，每100ml离子水加入的溶质重量为：6.5-7.5g；
（2）反应完后将烧瓶中液体转入烧杯中，静置沉淀后移除上清液，加入去离子水洗涤至pH为中性，得到纳米四氧化三铁；
（3）将容器置于磁场区域，将水滤干后再加入去离子水与量子碳素液得到混合液，其中，去离子水、纳米四氧化三铁、量子碳素液的比值为：100ml：（3-3.6mg）：(60-70ml)；再加入果壳活性炭并搅拌，其中，每100ml混合液加入1.9-2.1g果壳活性炭；
（4）将容器置于磁场区域，将水滤干后置于电热烘箱中烘干；将烘干的介质焙烧活化后冷却，将冷却后产物研磨粉碎至80um-120um之间的产物即得量子碳素磁性介质。
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