[發明專利]改性復合石墨烯氣凝膠及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202210064735.5
• 申請日: 2022-01-20
• 公開（公告）號: CN114618401B
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 張照韓;宋艷芳;馮玉杰;孫沐晨;劉國宏
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B01J13/00
• 分類號: B01J13/00;C01B32/168;C01B32/19;C01B32/194;C02F3/28;C02F101/30
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 范盈;李玉娜

本發明公開了一種改性復合石墨烯氣凝膠及其制備方法和應用，屬于廢水處理技術領域。其中，改性復合石墨烯氣凝膠由氧化石墨烯在還原劑的作用下與羧基化碳納米管通過水熱法合成制備得到。本發明還提供了上述改性復合石墨烯氣凝膠厭氧生物處理有機物廢水的方法。本發明提供的氣凝膠外觀完整，結構緊密，具有低密度和高比表面積，其在厭氧生物處理有機物廢水的過程中，以塊狀的形式存在，避免流失，提高了反應運行的穩定性；其表面的羧基和羰基等含氧官能團作為電子穿梭基團，能夠增強微生物之間的胞外電子直接傳遞，增加反應速率，從而加速甲烷的產生和有機物的去除效率。

技術領域

本發明涉及廢水處理技術領域，尤其涉及一種改性復合石墨烯氣凝膠及其制備方法和應用。

背景技術

近年來，隨著醫藥行業的迅猛發展，隨之而來抗生素制藥廢水的排放已成為水污染的重要來源，越來越引起人們的關注。這些抗生素類污染物通過在環境和食物鏈中的不斷積累對水生生態系統和人類造成了亞慢性或慢性中毒，給生物多樣性和人們的健康構成威脅，因此抗生素制藥廢水的處理亟待解決。目前，厭氧生物工藝處理抗生素廢水被認為是一種經濟可行的處理方法，與好氧生物處理技術相比具有多種優勢，其不僅能夠處理高濃度難降解的有機廢水，還具有產生能源物質(甲烷)、運行成本低和剩余污泥產量少等優點。正是由于厭氧生物處理工藝能夠將廢水中的有機物轉化為能源物質，達到了變廢為寶的目的，因此得到了廢水處理業界人士的青睞。

厭氧生物處理過程分為水解酸化階段、產氫產乙酸階段和產甲烷階段，厭氧生物處理的效能取決于水解產酸菌和產甲烷菌的協同作用，難降解有機污染物經水解酸化菌分解為乙酸、丙酸和丁酸等揮發性脂肪酸，再經過產氫產乙酸菌轉化為乙酸、氫氣和二氧化碳，最終產甲烷菌以乙酸為主要的底物生成甲烷能源物質。當產生的揮發性脂肪酸不能被產甲烷菌及時消耗將會導致其在反應器中的累計含量過量，進而使得混合消化液酸化，而產甲烷菌只有在適宜的pH值(6.8～7.5)環境下才能正常工作。高濃度的抗生素廢水對厭氧微生物的活性具有抑制作用，尤其是對生態位敏感的產甲烷菌，高濃度的抗生素廢水會導致產甲烷菌生長速度緩慢，反應周期長，有機物去除率降低，甲烷產量顯著減少?？股貜U水厭氧生物處理系統中產酸菌通常比產甲烷菌生長得快，有機物水解酸化產生有機酸的速率高于乙酰氧基化和甲烷化，導致反應器中揮發性脂肪酸積累，pH值下降，積累的有機酸不僅能抑制乙酰氧基化和甲烷化，還能抑制有機物的水解酸化，導致厭氧反應器有機物處理效率低甚至反應器失效，因此如何提高抗生素廢水的厭氧生物處理效能迫切需要開發新的處理技術。

針對傳統厭氧生物工藝處理抗生素廢水存在有機物去除效率低、微生物的活性受抑制、反應器運行不穩定、易于造成酸化等不足，現有的解決方法主要有設計不同構型的厭氧生物反應器及調控不同反應器的運行參數、增加功能型微生物的豐富度和添加導電介體促進微生物間進行高效電子傳遞以達到協同代謝等方式。通過改進反應器的構型及運行條件能夠增加廢水和微生物之間的接觸程度，調控反應器的運行負荷；向厭氧反應器中添加功能菌群加速特定污染物的降解，由于反應器的高效運行需要各種菌群協同代謝，且功能菌群會隨著反應條件的不同而發生變化；強化厭氧生物處理過程可克服復雜底物降解速率慢或不利環境條件等因素，即是通過向厭氧生物處理系統中添加生物強化劑、氧化還原介體、填料、電場或磁場等強化措施以達到增強水解酸化菌和產甲烷菌之間的直接或間接電子傳遞的能力，提高功能性微生物的豐富度和多樣性，降低反應的活化能，從而促進有機酸的快速轉化，減少揮發性脂肪酸的積累，增強甲烷的產生速率和累計產量，進而達到厭氧生物對抗生素廢水的處理效果。

改變反應器的類型和運行條件對促進抗生素廢水的高效處理效果有限，僅是從宏觀影響因素進行調節，同時存在操作復雜，調控周期長等不足；強化厭氧生物技術中的添加特定的生物菌劑、電場和磁場存在處理成本高、操作復雜等缺點。廣泛應用的厭氧生物強化介體有鐵基(零價鐵、磁鐵礦、氧化鐵、刨花鐵和含鐵復合材料等)和碳基(顆?；钚蕴俊⑻技{米管、生物炭及石墨烯等)材料，這些強化介體主要以粒子或者粉末態存在于消化液中，因此會隨著出水流失，使得出水中引入了新的污染物，反應器中強化介體的濃度減少，強化效果減弱。綜上，現有技術存在的不足可以歸納為以下三點：