石墨烯制备专用一体化废水处理设备的制作方法

1.本实用新型涉及废水处理环保设备技术领域，特别涉及一种石墨烯制备专用一体化废水处理设备。


背景技术：

2.石墨烯是一种碳原子单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，其具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景。其工业化制备生产技术是当下的热点。制备石墨烯的原料可以是碳基材料，例如酚醛树脂等，此类碳基材料在封闭环境下加热，碳键断裂热解为气相碳原子，在催化剂的作用下碳键重新组合沉积形成层状石墨烯晶体。
3.检索到关于酚醛树脂制备石墨烯的相关现有文献：
4.1、镍改性酚醛树脂热解形成石墨烯机理研究，《化工新型材料》2016年8月，武汉科技大学应用化学研究所。
5.2、铁改性酚醛树脂热解制备石墨烯的方法；申请号：cn201911312908.5；申请人：武汉科技大学；摘要：一种铁改性酚醛树脂热解制备石墨烯的方法，属于石墨烯技术领域。它包括取铁改性酚醛树脂在惰性气体保护下，控制升温速率为15～30℃将温度升至800～1500℃，热解2.5～10h得到石墨烯，其中，铁改性酚醛树脂为取酚类化合物、醛类化合物及碱性催化剂在螯合剂及二茂铁的催化作用下得到；得到铁改性酚醛树脂的产率在83％以上，同时，由铁改性酚醛树脂催化热解制备石墨烯的效率也比较高。
6.虽然此种制备石墨烯方式效率高，产量大，但是在制备石墨烯的过程中，需要对热裂解所得初产物用丙酮、盐酸和吡啶等有机溶剂、酸液和清水等进行洗涤和除杂，才能得到较纯的石墨烯产品。由此在洗涤除杂过程中产生大量有机无定型碳杂质、催化剂金属化合物例如镍等重金属有害化合物和各种有机溶剂溶解在排出的废水中，如果废水随意直接排放，则会严重污染环境。因此需对此类废水进行净化处理。在现有文献中，并未检索到关于专用于热裂解生产石墨烯废水处理的相关资料。


技术实现要素：

7.本实用新型提供一种石墨烯制备专用一体化废水处理设备，专用于热裂解生产石墨烯所产生的废水的净化处理，具有处理效率高、运行成本低的优点，所处理的污水符合国家排放标准。
8.本实用新型的技术方案是这样实现的：
9.石墨烯废水专用一体化处理设备，包括前过滤模块、微电解模块、高效反应模块、生化模块、沉淀模块、膜分离模块和清水池；以上各模块之间依次通过管道、水泵和辅助设施进行组合连接。
10.所述前过滤模块分为污水池和集水池，污水池设置入水管，污水池池底还设置潜水泵，通过管道连接至集水池入水口，集水池还通过管道和加液泵连接盐酸桶a。
11.污水池上方设置格栅，用于初级去除污水中的大块杂物，潜水泵将污水抽入集水池，在集水池中加入盐酸溶液，调节废水ph值至3.5-4.5，为后续的微电解模块提供反应环境。
12.所述微电解模块为铁碳微电解器，进水管连接在罐体下部并设置多个均布的管口，压缩空气喷管布置在进水管管口的下方，罐体中部为铁碳填料层，填料层上方为清水层，并在清水层设置出水管。微电解器利用金属腐蚀原理法，形成原电池对废水进行处理的良好工艺，又称内电解法、铁屑过滤法等。在不通电的情况下,利用填充在废水中的微电解材料自身产生电位差对废水进行电解处理，以达到降解有机污染物的目的。利用铁-碳颗粒之间存在着电位差而形成了无数个细微原电池，这些细微电池是以电位低的铁成为阳极,电位高的碳做阴极,在含有酸性电解质的水溶液中发生电化学反应。在罐体底部设置的空气喷管，向填料层（反应层）持续喷出空气气泡，利用了气泡在填料层中的爆裂作用，解决填料层中填料板结的现象，使微电解反应更为快速，效率更高。
13.所述高效反应模块分为4个腔室，四个腔室依次通过管道和泵连接：第一个腔室通过管道连接盐酸桶，第二个腔室通过管道连接硫酸亚铁溶液桶和过氧化氢溶液桶，第三个腔室通过管道连接氢氧化钠溶液桶；第四个腔室通过转轴管连接聚合氯化铝溶液桶和聚丙烯酰胺溶液桶。
14.在第一个腔室，污水调节ph值至3-4，为第二腔室的反应做准备；在第二个腔室中，硫酸亚铁中的二价铁离子fe2 ，与过氧化氢之间的链反应催化生成羟基自由基-oh，具有很强的氧化性，将废水中的难以降解的有机污染物氧化成具有活性可分解的无机物，为后续的反应提供基础。进入第三个腔室，使用氢氧化钠溶液将其调整ph值至8-9，为第四腔室的反应做准备，在第四腔室中，首先通入聚合氯化铝溶液，然后再通入聚丙烯酰胺溶液，两者发生絮凝反应；聚合氯化铝带有胶体电荷，对水中悬浮物有极强的吸附性，达到聚凝水中悬浮物的目的，聚丙烯酰胺单体经自由基引发聚合而成的水溶性线性高分子聚合物，具有良好的絮凝性，可以降低液体之间的摩擦阻力，两者反应后，形成较大的絮凝物，将污水中的污物转变成固态。
15.所述盐酸桶中为质量百分比17.5%的盐酸；过氧化氢溶液桶中为质量百分比15%的过氧化氢溶液、硫酸亚铁溶液桶中为质量百分比5%的硫酸亚铁溶液，聚合氯化铝溶液桶为质量百分比5%的聚合氯化铝，聚丙烯酰胺溶液桶为质量百分比0.1%的聚苯稀酰胺，氢氧化钠溶液桶中为质量百分比10%的氢氧化钠溶液。
16.所述第四个腔室上方安装电机，电机轴通过皮带驱动空心转轴管转动，聚合氯化铝溶液桶、聚丙烯酰胺溶液桶和空气管均接入到旋转管接头上，转轴管与空心桨叶之间有通路连接，空心桨叶叶片上密布出液/气孔。首先在转轴管中通入聚合氯化铝溶液，同时转轴管与空心桨叶旋转，聚合氯化铝溶液从孔中散逸到水中，在搅拌和散逸的作用下，对水中胶体和颗粒物具有高度电中和及桥联作用，并可去除微有毒物及镍等重金属离子；然后再通入聚丙烯酰胺溶液，其使悬浮物质通过电中和，架桥吸附作用，将微粒絮凝成较大的絮凝物，方便后续进行进一步处理；然后最后通入压缩空气，约2-3min，对其腔体内的溶液进行气流搅拌，利用空气在水中爆破的应力，加强聚合氯化铝溶液桶和聚丙烯酰胺溶液充分反应和絮凝。
17.所述沉淀池分为预沉淀池和静态沉淀池，预沉淀池通过管道和加药泵连接除氮剂
罐，预沉淀池液面处设置l型落水管，末端通入到静态沉淀池的中下部，末端的水平管上设置若干出液孔，开孔朝上；静态沉淀池的上部设置出水管。污水首先通过管道从上方进入预沉淀池，大体积的絮凝物和污泥从预沉淀池沉降，从下方的锥形底部排泥管排出，上层的较清的水从l型管利用液位差进入到静态沉淀池，并从末端水平管的出液孔向上方缓缓排出，絮凝物和杂质沉降到水平管下方的池底，出液的液体并不会对池底的沉淀物发生扰动的情况，可以保持水的静态，沉淀效果好，处于上层的清水通过出水管排出。
18.所述除氮剂由以下重量份数原料制得：氯化铝25-40份，膨润土25-35份；硫酸钙8-16份；羧甲基纤维素钠10-16份；碳酸氢钠4-10份；十二醇马来酸酯钠2-6份；次氯酸钠17-19份；三氯化铁4-6份。污水中含有一定量的氨氮，在沉淀池的预沉淀池中通过加入脱氮剂与水中的nh3和nh4 进行反应，吸附或转化分解成n2或n2o散逸到大气中，对环境不造成不良影响。
19.所述预沉淀池和静态沉淀池的底面均为斜面或锥面，并设置排泥出口。
20.所述生化模块出水管处连接回水管至厌氧罐的入水口处。当经过好氧池后的水质不符合要求，则可将污水重新回流到厌氧罐中重新进行厌氧—好氧处理。生化模块中好氧池采用回廊式通道，曝气管通入到通道底部进行曝气。经过生化模块处理后的废水bod和cod大幅降低。
21.所述膜分离模块由若干个并联的管式膜滤器构成，过滤粒径为5-7nm，过滤压力为0.1-0.2mpa。管式超滤膜过滤器将污水中大分子杂质、悬浮胶体等截流，最终获得较为干净的净化水排出至清水池储存回用。
22.本发明的优势：
23.（1）本实用新型专用于酚醛树脂热裂解制备石墨烯所产生的污水，可将污水中所含的有机污物、重金属污染物分解并有效处理，使最终处理后的水质达到国家排放标准并可以将其回用，重新用于洗涤石墨烯产物。石墨烯废水中的有害物质主要是高浓度有毒有机污染物、石墨微粒杂质和催化物重金属离子，通过将有毒有机污染物转化成可生化的有机物或者无机物进行处理，将微粒杂质和重金属离子进行吸附沉淀无害化后排出，真正做到了废水无害化处理。
24.（2）本实用新型中利用压缩空气，在污水处理过程中加快了反应的速率，提高了净化效率，提升了废水的净化效果。
25.（3）本实用新型中处理设备结构紧凑，处理效率高，运行成本低，占地面积小。
26.（4）本实用新型废水处理方法成本低廉，处理每立方米废水成本约为1.2元/m
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附图说明
27.图1为本实用新型的整体结构示意图；
28.图2为前过滤模块的结构示意图；
29.图3为微电解模块的结构示意图；
30.图4为高效反应模块的结构示意图；
31.图5为生化模块的结构示意图；
32.图6为沉淀模块的结构示意图；
33.图中标号说明：1-前过滤模块；11-污水池；12-集水池；2-微电解模块；21-风机a；
3-高效反应模块；4、生化模块；41-厌氧罐；42-好氧池；43-风机b；44-回流泵；5-沉淀模块；51-预沉淀池；52-静态沉淀池；6-膜分离模块；7-清水池。
具体实施方式
34.实施例1
35.石墨烯废水专用一体化处理设备，包括前过滤模块1、微电解模块2、高效反应模块3、生化模块4、沉淀模块5、膜分离模块6和清水池7；以上各模块之间依次通过管道、水泵和辅助设施进行组合连接；
36.所述前过滤模块分为污水池11和集水池12，污水池11设置入水管，污水池11池底还设置潜水泵，通过管道连接至集水池12入水口，集水池12还通过管道和加液泵连接盐酸桶a；
37.所述微电解模块2为铁碳微电解器，进水管22连接在罐体下部并设置多个均布的管口，压缩空气喷管23布置在进水管管口的下方，罐体中部为铁碳填料层24，填料层24上方为清水层，并在清水层设置出水管；
38.所述高效反应模块3分为四个腔室，四个腔室依次通过管道和泵连接：第一个腔室通过管道连接盐酸桶b，第二个腔室通过管道连接硫酸亚铁溶液桶和过氧化氢溶液桶，第三个腔室通过管道连接氢氧化钠溶液桶；第四个腔室通过转轴管连接聚合氯化铝溶液桶和聚丙烯酰胺溶液桶；
39.所述第四个腔室上方安装电机，电机轴通过皮带驱动空心转轴管转动，聚合氯化铝溶液桶、聚丙烯酰胺溶液桶和空气管均接入到旋转管接头上，转轴管与空心桨叶之间有通路连接，空心桨叶叶片上密布出液/气孔；
40.所述生化模块4出水管处连接回水管至厌氧罐5的入水口处；
41.所述沉淀模块5分为预沉淀池51和静态沉淀池52，预沉淀池51通过管道和加药泵连接除氮剂罐，预沉淀池51液面处设置l型落水管，末端通入到静态沉淀池52的中下部，末端的水平管上设置若干出液孔，开孔朝上；静态沉淀池52的上部设置出水管；
42.所述预沉淀池51和静态沉淀池52的底面均为斜面或锥面，并设置排泥出口；
43.所述膜分离模块6由若干个并联的管式膜滤器构成，过滤粒径为5-7nm，过滤压力为0.1-0.2mpa。