CN108046508A - 一种提高碳纳米管吸附有机物效率的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高碳纳米管吸附有机物效率的装置及其方法，属于碳纳米管吸附技术领域，解决现有技术中吸附容量较小、吸附速率较低的问题。装置包括水槽和与水槽两端连接的闭合管道；管道上设置水泵、永磁体和第一阀门；水槽的进水口内卡接有垫圈，垫圈上设有滤膜；水泵和永磁体之间设有排水管，排水管上设有第二阀门；方法包括循环水磁化、计算碳纳米管使用量、吸附有机物、过滤碳纳米管、回收碳纳米管和检测有机物浓度。本发明可以促进有机物的降解；本发明可以提高吸附容量和吸附速率，降低生产成本，起到了进化水质的作用；可以促进氢键数量的增加，提高了吸附效果；可以避免洛伦磁力影响吸附效果；对碳纳米管的回收再利用提供了便利，减少了工序。

Description

一种提高碳纳米管吸附有机物效率的装置及其方法

技术领域

本发明属于碳纳米管吸附技术领域，具体涉及一种提高碳纳米管吸附有机物效率的装置及其方法。

背景技术

近年来，碳纳米管作为新型碳材料，因其独特的一维管状的微结构特性受到了广泛关注，催化裂解法制得的多壁碳纳米管使它具有优异的吸附性能，研究发现：碳纳米管具有比表面积大、表面活性高，对有机污染物的吸附容量大，吸附亲和力强的特点，因此，可以作为一种潜在的有机污染物的高效吸附剂。如文献[孙明礼，成荣明，徐学诚.等 苯酚及取代酚在碳纳米管上的吸附研究[J]. 化学研究与应用，2006，18（1）：13-18.]利用¹H质子宽线氢谱和热重分析研究了碳纳米管在水中对苯酚和取代酚进行吸附的热力学特性，结果表明，碳纳米管由于π-π共轭作用力的不同导致了其对ɑ-萘酚的吸附能力较对苯酚的吸附能力强。文献[刘立柱. 有机苯或酚类在碳纳米管上的吸附研究[D].黑龙江大学，2008.]研究了有机苯或酚类在碳纳米管上的吸附特性，结果表明:碳纳米管对酚类物质的吸附属于物理吸附，是靠自由能驱动的吸附过程。另外，他还发现吸附质的溶解度、吸附质与吸附剂间的π-π共轭作用以及吸附质的分子结构是影响吸附量的主要因素。而范德华作用力（如疏水作用、静电作用等）、氢键作用又会影响碳纳米管对有机污染物吸附。另外，文献[Fagan,S.; Souza, A.; Lima, J.; Mendes, J.; Ferreira, O.; Mazali, I.;Alves, O.;Dresselhaus, M. 1, 2-dichorobenzene interacting with carbon nanotubes. NamLett. 2004, 4(7), 1285-1288.]也讲到了碳纳米管结构与表面性质和有机物理化性质也是影响碳纳米管与有机污染物之间的吸附作用力关键因素。所以，整个碳纳米管吸附过程很容易受到外界因素的变化，如磁场力、电场力以及氢键等因素。文献[李超鹏，韩博，慕春海，赵洁，陈文. 氧化多壁碳纳米管对Pb²⁺的吸附性能研究[J]. 分析测试学报，2010，29(05)：460-464.]表明，动态吸附优于静态吸附。同时，研究表明：磁场可以通过影响电子的自旋来影响化学反应的进行，例如文献[蒋秉植，杨健美. 磁场对某些化学反应的影响[J].化学通报，1991，2(10)：11-15.]证明了磁场可以影响化学反应的速度与产率以及以及某些化学反应产物的分布与取向。另外文献[Hosoda H, Mori H, Sogoshi N. et al.Refractive Indices of water and aqueous electrolyte solutions under highmagnetic fields[J]. J. Phys. Chem., A, 2004, 108(9): 1461-1469.]研究了磁场可以促进水分子氢键间电子离域的促进作用，从而使水分子自由态向氢键结合态转变，文献[邹海平. 磁场下光催化氧化降解酸性蓝染料废水的研究[D].南昌大学，2007.]磁处理使溶液中的COD值下降，当含有COD的工业废水流经磁场时会吸收能，提高化学反应，从而提高COD的降解率。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高碳纳米管吸附有机物效率的装置及其方法，以解决现有技术中吸附容量较小、吸附速率较低的问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种提高碳纳米管吸附有机物效率的装置，包括水槽和与水槽两端连接的管道，所述管道为两端闭合管道；管道上沿进水口的水流方向依次设置水泵、永磁体和第一阀门；水槽的进水口内卡接有垫圈，垫圈上设有滤膜；水泵和永磁体之间设有排水管，排水管上设有第二阀门。

所述永磁体活动套接在管道外部。

所述第一阀门和水槽的出水口之间设有流量计。

所述滤膜为聚四氟乙烯滤膜。

所述垫圈为活动设置。

所述水槽的进水口和出水口均高于水槽底部。吸附过程中由于进水口和出水口与水槽底部保持着一段距离，加之水槽较大和水速较小，水槽底部的水处于静止状态，这使得碳纳米管容易沉到水槽底部。

所述垫圈的直径不小于水槽的进水口的直径。

所述水槽的进水口内设有固定垫圈的卡槽。

一种使用上述装置提高碳纳米管吸附有机物效率的方法，包括以下步骤：

A、污水的循环磁化：

取出垫圈，在水槽中加满待处理污水，将污水流循环速度控制在0.2-1m/s，使污水反复通过永磁体产生的磁场，污水以低速流过磁场磁化效果更充分，可以提高有机物的降解率，并且通过循环磁化污水能够提高水系的氢键数量，促进碳纳米管单独动态吸附时的吸附效率和吸附速率，通过下述公式计算磁化时间：

t₁=V₁/Sv

其中，t₁为磁化时间；

V₁为水槽体积；

S为水管截面积；

v为水流速度；

B、计算碳纳米管使用量：

测定水中有机物的浓度，通过下述公式计算碳纳米管的使用量：

q_e=12B+267

其中，q_e为碳纳米管对有机物的平衡吸附量(mg/g)；

C₀为溶液中有机物的初始浓度(mg/l)；

C_e为溶液中有机物的平衡浓度(mg/l)，该数值为预期达到的目标值，不能大于国家对有机物的排放标准；

V为溶液的体积(L)；

m为碳纳米管的质量(g)；

B为磁场强度；

C、吸附有机物：

移除磁场停止磁化，按步骤B计算得到结果将碳纳米管加入水槽中吸附有机物；磁化完成后移除磁场可以避免洛伦磁力影响吸附效果，带电粒子在磁场中运动会产生洛伦磁力，大多数有机物都带负电，会减少其与碳纳米管接触的机会，影响吸附效果，并且磁化具有记忆效应，其效果能保持4-8h，因此，磁化后移除磁场可以提高吸附速率和吸附容量；

D、过滤碳纳米管：

卡入垫圈，将第一阀门完全打开，使水流量达到最大，将管道中的碳纳米管全部冲至水槽内；

E、回收碳纳米管：

关闭第一阀门，回收水槽中的碳纳米管；

F、检测有机物浓度：

检测值达到设定值，开启第二阀门排出吸附完成的水；检测值未达到设定值，从步骤A重新开始直至检测达到设定值。

本发明相较于现有技术的有益效果为：

本发明可以提高吸附容量和吸附速率，降低生产成本，起到了进化水质的作用；可以促进氢键数量的增加和有机物的降解，提高了吸附速率和吸附容量；可以避免洛伦磁力影响吸附效果；对碳纳米管的回收再利用提供了便利，减少了工序。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

附图标记含义如下：1、水槽；2、管道；3、进水口；4、水泵；5、永磁体；6、第一阀门；8、垫圈；9、排水管；10、第二阀门；11、出水口；12、流量计；13、卡槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种提高碳纳米管吸附有机物效率的装置，包括水槽1和与水槽1两端连接的管道2，管道2为两端闭合管道，水槽1的进水口3和出水口11均高于水槽1底部；管道2上沿进水口3的水流方向依次设置水泵4、永磁体5和第一阀门6，永磁体5活动套接在管道2外部，第一阀门6和水槽1的出水口11之间设有流量计12；水槽1的进水口3内卡接有垫圈8，垫圈8的直径不小于水槽1进水口3的直径，垫圈8上设有滤膜，水槽1的进水口3内设有固定垫圈8的卡槽13，垫圈8为活动设置，滤膜为聚四氟乙烯滤膜；水泵4和永磁体5之间设有排水管9，排水管9上设有第二阀门10。

一种提高碳纳米管吸附有机物效率的方法，包括以下步骤：

A、污水的循环磁化：

取出垫圈，在管道上架设永磁体，在水槽中加满待处理污水后盖上水槽盖使系统处于密闭状态，开启水泵，通过第一阀门将污水的循环流速控制在0.2-1m/s，使污水反复通过永磁体产生的磁场，通过下述公式计算磁化时间：

t₁=V₁/Sv

其中，t₁为磁化时间；

V₁为水槽体积；

S为水管截面积；

v为水流速度；

B、计算碳纳米管使用量：

测定水中有机物的浓度，通过下述公式计算碳纳米管的使用量：

q_e=12B+267

其中，q_e为碳纳米管对有机物的平衡吸附量(mg/g)；

C₀为溶液中有机物的初始浓度(mg/l)；

C_e为溶液中有机物的平衡浓度(mg/l)，该数值为预期达到的目标值，不能大于国家对有机物的排放标准；

V为溶液的体积(L)；

m为碳纳米管的质量(g)；

B为磁场强度；

C、吸附有机物：

污水被彻底磁化后，移除永磁体停止磁化，按步骤B计算得到结果将碳纳米管加入水槽中吸附有机物；

D、过滤碳纳米管：

吸附完成后，关闭水泵，打开水槽盖，将带有滤膜的垫圈卡在水槽的进水口处，重新盖上水槽盖，将第一阀门完全打开，使水循环流速达到最大，将管道中粘附的碳纳米管随水流由出水口全部冲至水槽内；

E、回收碳纳米管：

待出水口的水位澄清状态时，关闭第一阀门，回收水槽中的碳纳米管经处理后再利用；

F、检测有机物浓度：

提取水槽中的水样检测有机物的浓度，检测值达到设定值，开启第二阀门排出吸附完成的水；检测值未达到目标值，从步骤A重新开始直至检测达到目标值。

实施例1：

当磁场强度B取8T时，水槽体积V₁为4m³，水管截面积S为2m²，水速v为0.4m/s，则整个循环系统提前运行的时间t₁为5h，然后去掉磁场，在水槽中加上浓度为50mg/L的碳纳米材料2g，4h后测得其平衡吸附量qe为356.8mg/g，经本发明方法处理后检测水样达到国家污水排放标准。

实施例2：

当磁场强度B取10T时，水槽体积V₁为5m³，水管截面积S为2m²，水速v为0.5m/s，则整个循环系统提前运行的时间t₁为5h，然后去掉磁场，在水槽中加上浓度为50mg/L的碳纳米材料2.5g，4h后测得其平衡吸附量qe为409.3mg/g，经本发明方法处理后检测水样达到国家污水排放标准。

实施例3：

当磁场强度B取15T时，水槽体积V₁为6m³，水管截面积S为2m²，水速v为0.4m/s，则整个循环系统提前运行的时间t₁为7.5h，然后去掉磁场，在水槽中加上浓度为50mg/L的碳纳米材料3g，4h后测得其平衡吸附量qe为451mg/g，经本发明方法处理后检测水样达到国家污水排放标准。

Claims (10)

1.一种提高碳纳米管吸附有机物效率的装置，其特征在于：包括水槽（1）和与水槽（1）两端连接的管道（2），所述管道（2）为两端闭合管道；管道（2）上沿进水口（3）的水流方向依次设置水泵（4）、永磁体（5）和第一阀门（6）；水槽（1）的进水口（3）内卡接有垫圈（8），垫圈（8）上设有滤膜；水泵（4）和永磁体（5）之间设置排水管（9），排水管（9）上设有第二阀门（10）。

2.如权利要求1所述的提高碳纳米管吸附有机物效率的装置，其特征在于：所述管道（2）穿设于永磁体（5）的上下磁极之间。

3.如权利要求1或2所述的提高碳纳米管吸附有机物效率的装置，其特征在于：所述第一阀门（6）和水槽（1）的出水口（11）之间设有流量计（12）。

4.如权利要求3所述的提高碳纳米管吸附有机物效率的装置，其特征在于：所述滤膜为聚四氟乙烯滤膜。

5.如权利要求4所述的提高碳纳米管吸附有机物效率的装置，其特征在于：所述垫圈（8）为活动设置。

6.如权利要求5所述的提高碳纳米管吸附有机物效率的装置，其特征在于：所述水槽（1）的进水口（3）和出水口（11）均高于水槽（1）底部。

7.如权利要求6所述的提高碳纳米管吸附有机物效率的装置，其特征在于：所述垫圈（8）的直径不小于水槽（1）的进水口（3）的直径。

8.如权利要求7所述的提高碳纳米管吸附有机物效率的装置，其特征在于：所述永磁体（5）的磁场强度不小于0.1T。

9.如权利要求1所述的提高碳纳米管吸附有机物效率的装置，其特征在于：水槽（1）的进水口（3）内设有固定垫圈（8）的卡槽（13）。

10.一种使用权利要求1-8中任一权利要求的装置提高碳纳米管吸附有机物效率的方法，其特征在于包括以下步骤：

A、污水的循环磁化：

取出垫圈，在水槽中加满待处理污水，将水流循环速度控制在0.2-1m/s，通过下述公式计算磁化时间：

t₁=V₁/Sv

其中，t₁为磁化时间；

V₁为水槽体积；

S为水管截面积；

v为水流速度；

B、计算碳纳米管使用量：

测定水中有机物的浓度，通过下述公式计算碳纳米管的使用量：

q_e=12B+267

其中，q_e为碳纳米管对有机物的平衡吸附量(mg/g)；

C₀为溶液中有机物的初始浓度(mg/l)；

C_e为溶液中有机物的平衡浓度(mg/l)；

V为溶液的体积(L)；

M为碳纳米管的质量(g)；

B为磁场强度；

C、吸附有机物：

移除磁场停止磁化，按步骤B计算得到结果将碳纳米管加入水槽中吸附有机物；

D、过滤碳纳米管：

卡入带有滤膜的垫圈，将第一阀门完全打开，使水流量达到最大，将管道中的碳纳米管全部冲至水槽内；

E、回收碳纳米管：

关闭第一阀门，回收水槽中的碳纳米管；

F、检测有机物浓度：

检测值达到设定值，开启第二阀门排出吸附完成的水；检测值未达到设定值，从步骤A重新开始直至检测达到设定值。