公布日：2022.12.09
申請日：2022.09.06
分類號：C25B11/031(2021.01)I;C25B11/054(2021.01)I;C25B11/069(2021.01)I;C25B11/091(2021.01)I;C02F1/461(2006.01)I
摘要
本發(fā)明提供一種多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜的制備方法、污水處理裝置，屬于工業(yè)廢水處理領(lǐng)域。所述制備方法包括以下步驟：鑄膜液制備；刮膜；負(fù)載活性組分；Y‑Co/GO/PES膜的改性。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點：由于致孔劑的存在，使得所制電極膜具有微孔，實驗表明，該膜具有良好的物理截留的作用，獲取去除COD的能力，解決染料廢水中COD去除速率低的問題。改善了傳統(tǒng)高級氧化法處理后固液混合的情況，節(jié)約處理工序和時間，同時盡可能減少處理成本。
權(quán)利要求書
1.一種多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：（a）鑄膜液制備：將氧化石墨烯（GO）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）加入到N-甲基吡咯烷酮（NMP）中，超聲分散1h后加入聚醚砜（PES），然后轉(zhuǎn)入水浴鍋中，保持45-50℃恒溫，加熱攪拌12-14h，待聚醚砜（PES）溶解完全后，得到混合溶液，對所述混合溶液進(jìn)行超聲脫氣2h，制備出均勻的鑄膜液，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）和聚醚砜（PES）的用量之和為100％；（b）刮膜：以聚丙烯腈基碳纖維布作為基底，將聚丙烯腈基碳纖維布平整地鋪在玻璃板上，用蒸汽熨斗將聚丙烯腈基碳纖維布熨平，再用透明膠布將聚丙烯腈基碳纖維布固定好，使聚丙烯腈基碳纖維布盡可能地平整，然后將步驟（a）制備的鑄膜液倒在聚丙烯腈基碳纖維布上，調(diào)整刮刀的刮膜厚度為200μm，利用刮膜器進(jìn)行刮膜，刮膜完成后暴露在空氣中放置20s，制得電極預(yù)膜，將獲得的電極預(yù)膜儲存于去離子水中備用；（c）負(fù)載活性組分：將氧化釔和氧化鈷溶于水配制成濃度為1mol/L-5mol/L的復(fù)合浸漬液，先將步驟（b）所得電極預(yù)膜先置于含水的乙醇溶液中預(yù)處理，溶解致孔劑聚乙烯吡咯烷酮（PVP），進(jìn)行造孔，然后用去離子水清洗后，再浸漬于復(fù)合浸漬液中，使膜完全浸沒于溶液中，靜置24h后取出，再用去離子水清洗，即制得Y-Co/GO/PES膜；（d）Y-Co/GO/PES膜的改性：將步驟（c）制備好的Y-Co/GO/PES膜浸沒到抗壞血酸溶液中，再轉(zhuǎn)入恒溫加熱磁力攪拌器中水浴加熱至95-100℃，反應(yīng)2h，將膜內(nèi)的氧化石墨烯（GO）還原為還原氧化石墨烯（rGO），從而獲得Y-Co/rGO/PES陽極膜，即為多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜的制備方法，其特征在于，所述步驟（a）中，所述鑄膜液以質(zhì)量百分比計，由以下原料組成：0.3%的氧化石墨烯（GO）、0.5%-10%的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、15%-20%的聚醚砜（PES）、余量為N-甲基吡咯烷酮（NMP），上述各組分的用量之和為100％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜的制備方法，其特征在于，所述步驟（a）中，所述鑄膜液以質(zhì)量百分比計，由以下原料組成：0.3%氧化石墨烯（GO）、0.5%的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、16%的聚醚砜（PES）、83.2%的N-甲基吡咯烷酮（NMP）。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜的制備方法，其特征在于，所述步驟（c）中，含水的乙醇溶液中水與乙醇的體積比為1：4。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜的制備方法，其特征在于，所述步驟（c）中，氧化釔與氧化鈷的質(zhì)量比為2：1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜的制備方法，其特征在于，所述步驟（d）中，所述抗壞血酸溶液中，抗壞血酸的質(zhì)量占比為10％。
7.一種污水處理裝置，其特征在于，包括反應(yīng)池（3），還包括放置在反應(yīng)池（3）中且分別與電源（6）正極連接的陽極膜組件（1）和與電源（6）負(fù)極連接的陰極碳板（2），反應(yīng)池（3）內(nèi)底部設(shè)置有曝氣頭（4），曝氣頭（4）通過氣管與反應(yīng)池（3）外的供氣源相連通，進(jìn)水管的一端連接至原水池，另一端延伸至反應(yīng)池（3）中，進(jìn)水管上具有第一蠕動泵，出水管的一端連接至凈水池，另一端與陽極膜組件（1）連接，出水管上具有第二蠕動泵，所述陽極膜組件（1）包括通過如權(quán)利要求1-6任一項所述的制備方法獲得的多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種污水處理裝置，其特征在于，所述陽極膜組件（1）包括相互平行且等大設(shè)置的前玻璃板、中玻璃板、后玻璃板，以及夾持在前玻璃板與中玻璃板之間的第一多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜、夾持在后玻璃板與中玻璃板之間的第二多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜，所述前玻璃板和后玻璃板的中心均開設(shè)有透水孔，中玻璃板中心具有存液腔，出水管的一端與存液腔相連通，反應(yīng)池（3）內(nèi)的原水依次通過透水孔、多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜進(jìn)入存液腔中，存液腔中的凈水經(jīng)出水管、第二蠕動泵排出。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種污水處理裝置，其特征在于，所述反應(yīng)池（3）為水浴鍋；供氣源為空氣壓縮機(jī)（5）。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種污水處理裝置，其特征在于，所述前玻璃板、中玻璃板、后玻璃板通過塑料螺絲擰緊在一起。
發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題之一，本發(fā)明提出一種多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜的制備方法、污水處理裝置，同時具備物理截留和化學(xué)氧化作用，且在外加電壓的作用下，增加電極膜氧化處理能力，對廢水同時進(jìn)行物理和化學(xué)處理，解決傳統(tǒng)方法處理高COD濃度印染廢水不佳的問題，能節(jié)約處理工序和時間，同時盡可能減少處理成本。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：本發(fā)明提供一種多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：（a）鑄膜液制備：將氧化石墨烯（GO）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）加入到N-甲基吡咯烷酮（NMP）中，超聲分散1h后加入聚醚砜（PES），然后轉(zhuǎn)入水浴鍋中，保持45-50℃恒溫，加熱攪拌12-14h，待聚醚砜（PES）溶解完全后，得到混合溶液，對所述混合溶液進(jìn)行超聲脫氣2h，制備出均勻的鑄膜液，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）和聚醚砜（PES）的用量之和為100％；（b）刮膜：以聚丙烯腈基碳纖維布作為基底，將聚丙烯腈基碳纖維布平整地鋪在玻璃板上，用蒸汽熨斗將聚丙烯腈基碳纖維布熨平，再用透明膠布將聚丙烯腈基碳纖維布固定好，使聚丙烯腈基碳纖維布盡可能地平整，然后將步驟（a）制備的鑄膜液倒在聚丙烯腈基碳纖維布上，調(diào)整刮刀的刮膜厚度為200μm，利用刮膜器進(jìn)行刮膜，刮膜完成后暴露在空氣中放置20s，制得電極預(yù)膜，將獲得的電極預(yù)膜儲存于去離子水中備用；（c）負(fù)載活性組分：將氧化釔和氧化鈷溶于水配制成濃度為1mol/L-5mol/L的復(fù)合浸漬液，先將步驟（b）所得電極預(yù)膜先置于含水的乙醇溶液中預(yù)處理，溶解致孔劑聚乙烯吡咯烷酮（PVP），進(jìn)行造孔，然后用去離子水清洗后，再浸漬于復(fù)合浸漬液中，使膜完全浸沒于溶液中，靜置24h后取出，再用去離子水清洗，即制得Y-Co/GO/PES膜；（d）Y-Co/GO/PES膜的改性：將步驟（c）制備好的Y-Co/GO/PES膜浸沒到抗壞血酸溶液中，再轉(zhuǎn)入恒溫加熱磁力攪拌器中水浴加熱至95-100℃，反應(yīng)2h，將膜內(nèi)的氧化石墨烯（GO）還原為還原氧化石墨烯（rGO），從而獲得Y-Co/rGO/PES陽極膜，即為多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜。
進(jìn)一步地，所述步驟（a）中，所述鑄膜液以質(zhì)量百分比計，由以下原料組成：0.3%的氧化石墨烯（GO）、0.5%-10%的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、15%-20%的聚醚砜（PES）、余量為N-甲基吡咯烷酮（NMP），上述各組分的用量之和為100％。
進(jìn)一步地，所述步驟（a）中，所述鑄膜液以質(zhì)量百分比計，由以下原料組成：0.3%的氧化石墨烯（GO）、0.5%的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、16%的聚醚砜（PES）、83.2%的N-甲基吡咯烷酮（NMP）。
進(jìn)一步地，所述步驟（c）中，含水的乙醇溶液中水與乙醇的體積比為1：4。
進(jìn)一步地，所述步驟（c）中，氧化釔與氧化鈷的質(zhì)量比為2：1。
進(jìn)一步地，所述步驟（d）中，所述抗壞血酸溶液中，抗壞血酸的質(zhì)量占比為10％。
本發(fā)明還公開了一種污水處理裝置，其特征在于，包括反應(yīng)池，還包括放置在反應(yīng)池中且分別與電源正極連接的陽極膜組件和與電源負(fù)極連接的陰極碳板，反應(yīng)池內(nèi)底部設(shè)置有曝氣頭，曝氣頭通過氣管與反應(yīng)池外的供氣源相連通，進(jìn)水管的一端連接至原水池，另一端延伸至反應(yīng)池中，進(jìn)水管上具有第一蠕動泵，出水管的一端連接至凈水池，另一端與陽極膜組件連接，出水管上具有第二蠕動泵，所述陽極膜組件包括通過上述的制備方法獲得的多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜。
進(jìn)一步地，所述陽極膜組件包括相互平行且等大設(shè)置的前玻璃板、中玻璃板、后玻璃板，以及夾持在前玻璃板與中玻璃板之間的第一多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜、夾持在后玻璃板與中玻璃板之間的第二多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜，所述前玻璃板和后玻璃板的中心均開設(shè)有透水孔，中玻璃板中心具有存液腔，出水管的一端與存液腔相連通，反應(yīng)池內(nèi)的原水依次通過透水孔、多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜進(jìn)入存液腔中，存液腔中的凈水經(jīng)出水管、第二蠕動泵排出。
進(jìn)一步地，所述反應(yīng)池為水浴鍋；供氣源為空氣壓縮機(jī)。
進(jìn)一步地，所述前玻璃板、中玻璃板、后玻璃板通過塑料螺絲擰緊在一起。
進(jìn)一步地，所述透水孔為5cm×6cm的方孔。
進(jìn)一步地，所述進(jìn)水管和出水管出水方式為蠕動泵加壓出水。
進(jìn)一步地，膜出水流量為1.25mL/min。
進(jìn)一步地，極板材料使用石墨板作陰極。
進(jìn)一步地，曝氣方式為底部曝氣，使用空氣壓縮機(jī)曝氣攪拌以消除濃差極化。
進(jìn)一步地，電源為直流電源。
進(jìn)一步地，電源電流控制在20mA。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點：（1）多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜的制備方法中，鑄膜液包含致孔劑聚乙烯吡咯烷酮（PVP），電極預(yù)膜先置于含水的乙醇溶液中預(yù)處理，溶解致孔劑聚乙烯吡咯烷酮（PVP），進(jìn)行造孔，由于致孔劑的存在，使得所制電極膜具有微孔，實驗表明，該膜具有良好的物理截留的作用，獲取去除COD的能力，解決染料廢水中COD去除速率低的問題。（2）利用多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜的制備方法，制得的改性電極膜，膜表面及微孔中負(fù)載活性催化組分，可進(jìn)行化學(xué)氧化作用，能夠同時具備物理截留和化學(xué)氧化作用膜材料，對廢水同時進(jìn)行物理和化學(xué)處理，節(jié)約處理工序和時間，同時盡可能減少處理成本。（3）利用多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜的制備方法，所制得電極膜材料上復(fù)合負(fù)載Y、Co元素，降低了反應(yīng)活化能，提高了膜的氧化還原能力。（4）將濕式催化活性組分負(fù)載于電極膜上，摒棄了傳統(tǒng)填料方式，直接在電極膜上進(jìn)行催化氧化反應(yīng)，膜上微孔增加了催化劑接觸面積，結(jié)合泵出水方式，可提高氧化效率，減少能量浪費。（5）膜材料中添加石墨烯材料，使膜具有良好的導(dǎo)電性能。膜材料上的濕式催化活性組分的催化作用，配合裝置外加電源，以電化學(xué)反應(yīng)刺激輕基自由基的產(chǎn)生，同時又能促進(jìn)吸附在催化劑活性位上的有機(jī)物分子發(fā)生進(jìn)一步活化，二者的聯(lián)合作用效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩者單獨反應(yīng)去除效率之和，存在協(xié)同效應(yīng)。（6）一種污水處理裝置，所述陽極膜組件包括上述的制備方法獲得的多組分電濕式聯(lián)合催化改性電極膜能夠同時具備物理截留和化學(xué)氧化作用膜材料，對廢水同時進(jìn)行物理和化學(xué)處理，改善了傳統(tǒng)高級氧化法處理后固液混合的情況，節(jié)約處理工序和時間，同時盡可能減少處理成本。
（發(fā)明人：田民格;孟偉康;劉圣義;彭德元;曾俊;郟瑞花;高德超;曾志農(nóng);田沛霖;徐百鳴;馬祥棣）
