[發明專利]一種基于石墨烯宏觀體的石墨烯氧化反應器與應用

有效

• 申請號: 201310017584.9
• 申請日: 2013-01-17
• 公開（公告）號: CN103041775A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 孫雪菲;王義富;王曙光
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/30;C02F1/461;C02F1/28
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 呂利敏

技術領域

本發明涉及一種基于石墨烯宏觀體的石墨烯氧化反應器與應用，屬于廢水處理及資源化技術領域。

背景技術

有機廢水通常因為有機物濃度高，成分復雜，生物降解難度大，易造成水體富營養化，對環境的危害比較大，成為水處理領域重點控制的目標。石墨烯以其獨特的性質在有機廢水處理方面有著極其廣闊的應用前景。石墨烯的多孔結構和高的孔隙率使其具有較大的比表面積，成為良好的吸附材料。傳統的石墨烯材料通常是粉末狀以分散態的形式存在，使吸附劑容易隨水流而帶走，影響出水水質和造成吸附劑的流失。同時吸附法無法使有機污染物被徹底氧化降解成二氧化碳和水或者把生物難降解的、有毒有機物轉化為易生物降解的有機小分子、無毒有機物。因此，石墨烯的存在狀態和降解污染物的性能是制約石墨烯廣泛應用于有機廢水處理的關鍵因素之一。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提供一種基于石墨烯宏觀體的石墨烯氧化反應器與應用。

本發明的技術方案如下：

一種石墨烯宏觀體，采用如下方法制備：

（1）將氧化石墨烯配成濃度為2～10mg/mL的氧化石墨烯水溶液，然后與抗壞血酸混合并攪拌均勻，制得混合溶液，所述氧化石墨烯與抗壞血酸的質量比為1:6～1:8；

（2）取長度20～50cm的棒狀或長柄狀刷桿，垂直浸入步驟（1）制得的混合溶液中，固定刷桿于溶液中，所述刷桿浸入溶液中的長度為刷桿長度的1/3～2/3；

（3）將步驟（2）中固定有刷桿的溶液于70～90℃加熱10～30min，取出刷桿，用去離子水清洗3～5次，制得石墨烯轉刷；

（4）將氧化石墨烯與水合肼按質量比為15:1～12:1混合，90℃還原反應1h，制得石墨烯溶液，然后將步驟（3）制得的石墨烯轉刷浸入石墨烯溶液中，在70～90℃水浴環境中加熱10～30min，除去刷桿，制得塊狀石墨烯宏觀體。

根據本發明，優選的，步驟（1）中，濃度為4mg/mL的氧化石墨烯水溶液與抗壞血酸按質量比為1:6的配比混合。

根據本發明，優選的，步驟（1）中，將40mg的石墨粉加入到10ml去離子水中，常溫下超聲振蕩30min，配制成4mg/mL的氧化石墨烯水溶液。

根據本發明，優選的，步驟（3）中，固定有刷桿的溶液于90℃水浴環境中加熱30min。

石墨烯氧化反應器，包括石墨烯電化學反應器、石墨烯宏觀體、石英砂、陰極電極和陽極電極，所述石墨烯電化學反應器內兩側分別設置有陰極電極和陽極電極，石墨烯宏觀體設置于陰極電極一側的石墨烯電化學反應器內，陰極電極置于石墨烯宏觀體內部，石英砂填充于陽極電極一側的石墨烯電化學反應器內，陽極電極置于石英砂內部，陰極電極和陽極電極與電源相連，石墨烯電化學反應器底部設置有曝氣裝置，曝氣裝置的下方設置有污水進水口。

根據本發明優選的，所述石墨烯電化學反應器的上部設置有溢流堰，溢流堰與出水口相連通。

根據本發明優選的，所述石墨烯宏觀體和石英砂與曝氣裝置之間設置有承托層。

根據本發明優選的，所述石墨烯宏觀體和石英砂上表面設置有格網。

根據本發明優選的，所述電源為脈沖直流電源；所述陰極電極為鉑電極，陽極電極為鐵電極。

根據本發明優選的，所述污水進水口與水泵相連接。

本發明工作過程如下：

水泵將待處理污水間歇性地從底部打入石墨烯反應器，使污水以一定的流速通過石墨烯宏觀體，并在反應器底部曝氣，同時通過脈沖直流電源提供周期性的電壓，使污染物在低壓時被吸附在石墨烯宏觀體上，高壓時通過電極陽極反應生成Fe²⁺,陰極反應生成H₂O₂，構成芬頓體系從而氧化污染物達到去除污染物，凈化水質的目的，最終凈化后的污水從反應器上部排出。

本發明主要有如下優點：

1、將石墨烯制備成宏觀體避免了其在水中的擴散而造成二次污染，增強了石墨烯上的吸附效果，為污染物提供了一個較好的載體；

2、本發明利用石墨烯優良的導電性能和催化活性通過脈沖電壓吸附降解污染物，使其對有機污染物的處理效果明顯改善。

3、本發明所述石墨烯氧化反應器穩定性好，處理效率高，出水水質穩定，流程簡單，設備緊湊，占地面積小易實現自動控制，運行管理簡單。

4、本發明所述石墨烯氧化反應器與現有反應器相比，填充物主要為石墨烯宏觀體，具有較好的吸附性能，同時易于再生。外加電解裝置使該反應器不僅僅能夠吸附污染物，而且能夠氧化降解污染物，使其對污染物的處理效果顯著提高。