一种处理高浓度有机废水的三维石墨烯纳米材料电化学反应器

摘要

本发明涉及一种处理高浓度有机废水的三维石墨烯纳米材料电化学反应器，该反应器包括密闭的反应器本体，反应器本体交错竖直设置有隔板，隔板将反应器本体分割成多个处理单元，处理单元中设置有夹槽，夹槽中设置有三维石墨烯纳米材料电极，反应器本体的内部顶端设置有钛电极，反应器本体的一侧上部设置有进水口，反应器本体与进水口相对的一侧的下部设置有出水口，设置在处理单元中的三维石墨烯纳米材料电极彼此并联且通过电源和钛电极连接，电源为直流电源。本发明将三维石墨烯作为电极通过施加电压来提高三维石墨烯处理有机物的效率，脱色率可达98％～100％、TOC量去除率可达96％以上。

说明书

技术领域

本发明属于废水净化领域，涉及一种处理高浓度有机废水的三维石墨烯纳米材料电化学 反应器。

背景技术

高浓度有机废水一般是指由造纸、皮革及食品等行业排出的COD在2000mg/L以上 的废水。这种废水的成分非常的复杂、毒性强，在自然环境中难于光降解和生物降解，对 生物以及环境造成很大的危害，如果直接排放，会造成严重的水环境污染，因此对染料废 水的处理得到了广泛的重视。一般处理方法有：混凝法、氧化－吸附法、焚烧法、萃取法、 湿式催化氧化法、电化学法和膜分离法、化学氧化法、电解法、光降解法、生物降解法等。 其中吸附被认为是去除水中污染物非常有效的方法，并且它消耗的能源低，是环境友好型 的方法。

石墨烯是碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，具有蜂窝状品格结构的新型二维 晶体碳纳米材料。基于它的化学结构，石墨烯具有许多独特的物理化学性质。例如石墨烯具 有高比表面积，高吸附能力，表面也富含π电子可以与芳香结构的有机物形成强烈的π键作 用，所以在水处理领域中得到了广泛的关注。但是由于二维石墨烯材料在水溶液中是悬浮性 的，难以分离，容易造成二次污染，如用传统的过滤的方法分离，会造成滤器的堵塞和石墨 烯材料的流失。

中国专利文献CN101812702A(申请号：201010168663.6)公开了一种三相三维电化学 反应器。该三相三维电化学反应器,包括电解槽,所述电解槽设有阳极电极、两个阴极电极和 工作电极,所述工作电极为导电的活性炭与经过绝缘处理的活性炭的混合物,导电性的活性炭 与经过绝缘处理的活性炭质量比为1∶4～4∶1；所述工作电极负载微生物,形成生物膜。但是， 上述专利文献公开的电化学反应器电极为活性炭材质，电化学处理效果不佳，而且电极与废 水的接触面积小，不能充分的与废水电化学反应。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种处理高浓度有机废水的三维石墨烯纳米材料电化 学反应器。

本发明的技术方案如下：

一种处理高浓度有机废水的三维石墨烯纳米材料电化学反应器，该反应器包括密闭的反 应器本体，所述的反应器本体交错竖直设置有隔板，所述的隔板将反应器本体分割成多个处 理单元，所述的处理单元中设置有夹槽，所述的夹槽中设置有三维石墨烯纳米材料电极，所 述的反应器本体的内部顶端设置有钛电极，所述的反应器本体的一侧上部设置有进水口，所 述的反应器本体与进水口相对的一侧的下部设置有出水口，所述的设置在处理单元中的三维 石墨烯纳米材料电极彼此并联且通过电源和钛电极连接，所述的电源为直流电源；

所述的三维石墨烯纳米材料电极按如下方法制备得到：将浓度为1～1.5mg/ml的氧化石 墨烯溶液超声10～30min后，加入氧化石墨烯溶液质量的0.5％～2％的抗坏血酸，再超声 5～10min形成均一溶液，85～95℃的条件下加热1～1.5h；清洗，冷却，干燥，即得。

根据本发明，优选的，所述的反应器本体长35～50cm、高30～40cm、宽15～30cm。

根据本发明，优选的，所述的隔板的个数为2～5块。

根据本发明，优选的，所述的夹槽的高度为20～30cm，夹槽与反应器本体底部的间距为 5cm。

根据本发明，优选的，所述的电源电压为0.5～1.5V。

根据本发明，优选的，所述的三维石墨烯纳米材料电极的制备方法中，氧化石墨烯溶液 的浓度为1.2～1.5mg/ml，抗坏血酸的加入量为氧化石墨烯溶液质量的1％～1.5％，清洗方式为 透析的方式，冷却温度为-10～-20℃，干燥方式为在-40～-50℃的真空冷冻干燥仪器中干燥 24～48h。

本发明三维石墨烯纳米材料的形状可根据不从的需要制作成不同的形状，优选长方体 状。制备时，将加入抗坏血酸的氧化石墨烯溶液放入所需形状的容器中反应后，清洗，冷却， 干燥，即可得到所需形状的三维石墨烯纳米材料电极。

本发明将氧化石墨烯和抗坏血酸反应，通过石墨烯碳原子层内π-π堆积作用，以及疏水 作用，制成三维石墨烯材料，三维石墨烯吸附有机物的同时，利用电化学原理对有机物进行 处理。

本发明的有益效果：

1、本发明的三维石墨烯纳米材料电极不但具有高比表面积，并且还易于与水分离不会 造成二次污染，可以替代石墨烯来用于有机废水的处理。

2、石墨烯中电子的运动速率达到了光速的1/300，远超过了电子在一般导体中的运动速 度，利用这一特性本发明将三维石墨烯作为电极通过施加电压来提高三维石墨烯处理有机物 的效率，脱色率可达98％～100％、TOC量去除率可达96％以上。

3、本发明以氧化石墨烯作为原材料，成本低廉，通入低的电压(仅0.5～1.5V)能起到 很好的去除效果，能耗低。

4、本发明三维石墨烯材料电极韧性强、不易破碎，反应器稳定性好，处理效率高，出 水水质稳定，流程简单，设备紧凑，占地面积小，经济可行、无二次污染易、实现自动控制， 运行管理简单。

附图说明

图1为本发明实施例1三维石墨烯纳米材料电化学反应器的主体结构示意图。

图2为本发明实施例1三维石墨烯纳米材料电化学反应器的侧视图。

图3为本发明实施例1三维石墨烯纳米材料电化学反应器的俯视图。

其中，1、反应器本体，2、隔板，3、夹槽，4、三维石墨烯纳米材料电极，5、钛电极， 6、进水口，7、出水口，8、电源，9、泵。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

一种处理高浓度有机废水的三维石墨烯纳米材料电化学反应器，该反应器包括密闭的反 应器本体1，所述的反应器本体1交错竖直设置有隔板2，所述的隔板2将反应器本体1分 割成多个处理单元，所述的处理单元中设置有夹槽3，所述的夹槽3中设置有三维石墨烯纳 米材料电极4，所述的反应器本体1的内部顶端设置有钛电极5，所述的反应器本体1的一 侧上部设置有进水口6，所述的反应器本体1与进水口6相对的一侧的下部设置有出水口7， 所述的设置在处理单元中的三维石墨烯纳米材料电极4彼此并联且通过电源8和钛电极5连 接，所述的电源8为直流电源；

所述的三维石墨烯纳米材料电极4按如下方法制备得到：将浓度为1.5mg/ml的氧化石 墨烯溶液超声30min后，加入氧化石墨烯溶液质量的2％的抗坏血酸，再超声10min形成均 一溶液，90℃的条件下加热1h；通过透析的方式清洗，冷却至-20℃，在-50℃的真空冷冻干 燥仪器中干燥24h，即得。

本实施例中反应器本体1长36cm、高30cm、宽15cm，隔板2的个数为2块，夹槽3 的高度为20cm，夹槽3与反应器本体1底部的间距为5cm；三维石墨烯纳米材料电极4的 形状为长方体，钛电极5为钛金属板，电源电压为1.2V。

本实施例的三维石墨烯纳米材料电化学反应器使用时，关闭反应器的出水口7，用泵9 将高浓度有机废水从进水口6泵入到反应器中，开通电源8，三维石墨烯纳米材料电极4对 高浓度有机废水进行电化学处理，处理完成后，打开出水口7，即完成对高浓度有机废水的 电化学处理。

实验例1

利用实施例1的三维石墨烯纳米材料电化学反应器对酸性红27(Acid Red27)高浓度 有机废水电化学处理，Acid Red27高浓度有机废水的原始指标为Acid red27：2000mg/L、 总有机碳含量(TOC)720mg/L。

步骤如下：

关闭反应器的出水口7，用泵9将Acid Red27高浓度有机废水从进水口6泵入到反应器 中，开通电源8(电源电压1.2V)，三维石墨烯纳米材料电极4对Acid Red27高浓度有机废 水进行电化学处理1h，处理完成后，打开出水口7，在出水口7收集出水并测脱色率、TOC 量，并且同Acid Red27高浓度有机废水的原始指标比较计算其脱色率以及TOC去除率。

经计算，在施加1.2V的恒电压的条件下处理1h，Acid Red27高浓度有机废水脱色率为 100％，TOC量去除率为99％。

实施例2

如实施例1所述的三维石墨烯纳米材料电化学反应器，不同的是反应器本体1长40cm、 高35cm、宽20cm，隔板2的个数为3块，夹槽3的高度为25cm，夹槽3与反应器本体1 底部的间距为5cm；三维石墨烯纳米材料电极4的形状为长方体，钛电极5为钛金属板，电 源电压为0.6V。

实施例3

如实施例1所述的三维石墨烯纳米材料电化学反应器，不同的是反应器本体1长50cm、 高40cm、宽30cm，隔板2的个数为5块，夹槽3的高度为30cm，夹槽3与反应器本体1 底部的间距为5cm；三维石墨烯纳米材料电极4的形状为长方体，钛电极5为钛金属板，电 源电压为1.0V。