公布日：2022.12.09
申请日：2022.09.06
分类号：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
本发明提供一种多组分电湿式联合催化改性电极膜的制备方法、污水处理装置，属于工业废水处理领域。所述制备方法包括以下步骤：铸膜液制备；刮膜；负载活性组分；Y‑Co/GO/PES膜的改性。本发明相比现有技术具有以下优点：由于致孔剂的存在，使得所制电极膜具有微孔，实验表明，该膜具有良好的物理截留的作用，获取去除COD的能力，解决染料废水中COD去除速率低的问题。改善了传统高级氧化法处理后固液混合的情况，节约处理工序和时间，同时尽可能减少处理成本。
权利要求书
1.一种多组分电湿式联合催化改性电极膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：（a）铸膜液制备：将氧化石墨烯（GO）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）加入到N-甲基吡咯烷酮（NMP）中，超声分散1h后加入聚醚砜（PES），然后转入水浴锅中，保持45-50℃恒温，加热搅拌12-14h，待聚醚砜（PES）溶解完全后，得到混合溶液，对所述混合溶液进行超声脱气2h，制备出均匀的铸膜液，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）和聚醚砜（PES）的用量之和为100％；（b）刮膜：以聚丙烯腈基碳纤维布作为基底，将聚丙烯腈基碳纤维布平整地铺在玻璃板上，用蒸汽熨斗将聚丙烯腈基碳纤维布熨平，再用透明胶布将聚丙烯腈基碳纤维布固定好，使聚丙烯腈基碳纤维布尽可能地平整，然后将步骤（a）制备的铸膜液倒在聚丙烯腈基碳纤维布上，调整刮刀的刮膜厚度为200μm，利用刮膜器进行刮膜，刮膜完成后暴露在空气中放置20s，制得电极预膜，将获得的电极预膜储存于去离子水中备用；（c）负载活性组分：将氧化钇和氧化钴溶于水配制成浓度为1mol/L-5mol/L的复合浸渍液，先将步骤（b）所得电极预膜先置于含水的乙醇溶液中预处理，溶解致孔剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP），进行造孔，然后用去离子水清洗后，再浸渍于复合浸渍液中，使膜完全浸没于溶液中，静置24h后取出，再用去离子水清洗，即制得Y-Co/GO/PES膜；（d）Y-Co/GO/PES膜的改性：将步骤（c）制备好的Y-Co/GO/PES膜浸没到抗坏血酸溶液中，再转入恒温加热磁力搅拌器中水浴加热至95-100℃，反应2h，将膜内的氧化石墨烯（GO）还原为还原氧化石墨烯（rGO），从而获得Y-Co/rGO/PES阳极膜，即为多组分电湿式联合催化改性电极膜。
2.根据权利要求1所述的一种多组分电湿式联合催化改性电极膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（a）中，所述铸膜液以质量百分比计，由以下原料组成：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）、余量为N-甲基吡咯烷酮（NMP），上述各组分的用量之和为100％。
3.根据权利要求1所述的一种多组分电湿式联合催化改性电极膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（a）中，所述铸膜液以质量百分比计，由以下原料组成：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.根据权利要求1所述的一种多组分电湿式联合催化改性电极膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（c）中，含水的乙醇溶液中水与乙醇的体积比为1：4。
5.根据权利要求1所述的一种多组分电湿式联合催化改性电极膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（c）中，氧化钇与氧化钴的质量比为2：1。
6.根据权利要求1所述的一种多组分电湿式联合催化改性电极膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（d）中，所述抗坏血酸溶液中，抗坏血酸的质量占比为10％。
7.一种污水处理装置，其特征在于，包括反应池（3），还包括放置在反应池（3）中且分别与电源（6）正极连接的阳极膜组件（1）和与电源（6）负极连接的阴极碳板（2），反应池（3）内底部设置有曝气头（4），曝气头（4）通过气管与反应池（3）外的供气源相连通，进水管的一端连接至原水池，另一端延伸至反应池（3）中，进水管上具有第一蠕动泵，出水管的一端连接至净水池，另一端与阳极膜组件（1）连接，出水管上具有第二蠕动泵，所述阳极膜组件（1）包括通过如权利要求1-6任一项所述的制备方法获得的多组分电湿式联合催化改性电极膜。
8.根据权利要求7所述的一种污水处理装置，其特征在于，所述阳极膜组件（1）包括相互平行且等大设置的前玻璃板、中玻璃板、后玻璃板，以及夹持在前玻璃板与中玻璃板之间的第一多组分电湿式联合催化改性电极膜、夹持在后玻璃板与中玻璃板之间的第二多组分电湿式联合催化改性电极膜，所述前玻璃板和后玻璃板的中心均开设有透水孔，中玻璃板中心具有存液腔，出水管的一端与存液腔相连通，反应池（3）内的原水依次通过透水孔、多组分电湿式联合催化改性电极膜进入存液腔中，存液腔中的净水经出水管、第二蠕动泵排出。
9.根据权利要求7所述的一种污水处理装置，其特征在于，所述反应池（3）为水浴锅；供气源为空气压缩机（5）。
10.根据权利要求7所述的一种污水处理装置，其特征在于，所述前玻璃板、中玻璃板、后玻璃板通过塑料螺丝拧紧在一起。
发明内容
为解决上述问题之一，本发明提出一种多组分电湿式联合催化改性电极膜的制备方法、污水处理装置，同时具备物理截留和化学氧化作用，且在外加电压的作用下，增加电极膜氧化处理能力，对废水同时进行物理和化学处理，解决传统方法处理高COD浓度印染废水不佳的问题，能节约处理工序和时间，同时尽可能减少处理成本。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供一种多组分电湿式联合催化改性电极膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：（a）铸膜液制备：将氧化石墨烯（GO）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）加入到N-甲基吡咯烷酮（NMP）中，超声分散1h后加入聚醚砜（PES），然后转入水浴锅中，保持45-50℃恒温，加热搅拌12-14h，待聚醚砜（PES）溶解完全后，得到混合溶液，对所述混合溶液进行超声脱气2h，制备出均匀的铸膜液，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）和聚醚砜（PES）的用量之和为100％；（b）刮膜：以聚丙烯腈基碳纤维布作为基底，将聚丙烯腈基碳纤维布平整地铺在玻璃板上，用蒸汽熨斗将聚丙烯腈基碳纤维布熨平，再用透明胶布将聚丙烯腈基碳纤维布固定好，使聚丙烯腈基碳纤维布尽可能地平整，然后将步骤（a）制备的铸膜液倒在聚丙烯腈基碳纤维布上，调整刮刀的刮膜厚度为200μm，利用刮膜器进行刮膜，刮膜完成后暴露在空气中放置20s，制得电极预膜，将获得的电极预膜储存于去离子水中备用；（c）负载活性组分：将氧化钇和氧化钴溶于水配制成浓度为1mol/L-5mol/L的复合浸渍液，先将步骤（b）所得电极预膜先置于含水的乙醇溶液中预处理，溶解致孔剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP），进行造孔，然后用去离子水清洗后，再浸渍于复合浸渍液中，使膜完全浸没于溶液中，静置24h后取出，再用去离子水清洗，即制得Y-Co/GO/PES膜；（d）Y-Co/GO/PES膜的改性：将步骤（c）制备好的Y-Co/GO/PES膜浸没到抗坏血酸溶液中，再转入恒温加热磁力搅拌器中水浴加热至95-100℃，反应2h，将膜内的氧化石墨烯（GO）还原为还原氧化石墨烯（rGO），从而获得Y-Co/rGO/PES阳极膜，即为多组分电湿式联合催化改性电极膜。
进一步地，所述步骤（a）中，所述铸膜液以质量百分比计，由以下原料组成：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）、余量为N-甲基吡咯烷酮（NMP），上述各组分的用量之和为100％。
进一步地，所述步骤（a）中，所述铸膜液以质量百分比计，由以下原料组成：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）。
进一步地，所述步骤（c）中，含水的乙醇溶液中水与乙醇的体积比为1：4。
进一步地，所述步骤（c）中，氧化钇与氧化钴的质量比为2：1。
进一步地，所述步骤（d）中，所述抗坏血酸溶液中，抗坏血酸的质量占比为10％。
本发明还公开了一种污水处理装置，其特征在于，包括反应池，还包括放置在反应池中且分别与电源正极连接的阳极膜组件和与电源负极连接的阴极碳板，反应池内底部设置有曝气头，曝气头通过气管与反应池外的供气源相连通，进水管的一端连接至原水池，另一端延伸至反应池中，进水管上具有第一蠕动泵，出水管的一端连接至净水池，另一端与阳极膜组件连接，出水管上具有第二蠕动泵，所述阳极膜组件包括通过上述的制备方法获得的多组分电湿式联合催化改性电极膜。
进一步地，所述阳极膜组件包括相互平行且等大设置的前玻璃板、中玻璃板、后玻璃板，以及夹持在前玻璃板与中玻璃板之间的第一多组分电湿式联合催化改性电极膜、夹持在后玻璃板与中玻璃板之间的第二多组分电湿式联合催化改性电极膜，所述前玻璃板和后玻璃板的中心均开设有透水孔，中玻璃板中心具有存液腔，出水管的一端与存液腔相连通，反应池内的原水依次通过透水孔、多组分电湿式联合催化改性电极膜进入存液腔中，存液腔中的净水经出水管、第二蠕动泵排出。
进一步地，所述反应池为水浴锅；供气源为空气压缩机。
进一步地，所述前玻璃板、中玻璃板、后玻璃板通过塑料螺丝拧紧在一起。
进一步地，所述透水孔为5cm×6cm的方孔。
进一步地，所述进水管和出水管出水方式为蠕动泵加压出水。
进一步地，膜出水流量为1.25mL/min。
进一步地，极板材料使用石墨板作阴极。
进一步地，曝气方式为底部曝气，使用空气压缩机曝气搅拌以消除浓差极化。
进一步地，电源为直流电源。
进一步地，电源电流控制在20mA。
本发明相比现有技术具有以下优点：（1）多组分电湿式联合催化改性电极膜的制备方法中，铸膜液包含致孔剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP），电极预膜先置于含水的乙醇溶液中预处理，溶解致孔剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP），进行造孔，由于致孔剂的存在，使得所制电极膜具有微孔，实验表明，该膜具有良好的物理截留的作用，获取去除COD的能力，解决染料废水中COD去除速率低的问题。（2）利用多组分电湿式联合催化改性电极膜的制备方法，制得的改性电极膜，膜表面及微孔中负载活性催化组分，可进行化学氧化作用，能够同时具备物理截留和化学氧化作用膜材料，对废水同时进行物理和化学处理，节约处理工序和时间，同时尽可能减少处理成本。（3）利用多组分电湿式联合催化改性电极膜的制备方法，所制得电极膜材料上复合负载Y、Co元素，降低了反应活化能，提高了膜的氧化还原能力。（4）将湿式催化活性组分负载于电极膜上，摒弃了传统填料方式，直接在电极膜上进行催化氧化反应，膜上微孔增加了催化剂接触面积，结合泵出水方式，可提高氧化效率，减少能量浪费。（5）膜材料中添加石墨烯材料，使膜具有良好的导电性能。膜材料上的湿式催化活性组分的催化作用，配合装置外加电源，以电化学反应刺激轻基自由基的产生，同时又能促进吸附在催化剂活性位上的有机物分子发生进一步活化，二者的联合作用效果远远大于两者单独反应去除效率之和，存在协同效应。（6）一种污水处理装置，所述阳极膜组件包括上述的制备方法获得的多组分电湿式联合催化改性电极膜能够同时具备物理截留和化学氧化作用膜材料，对废水同时进行物理和化学处理，改善了传统高级氧化法处理后固液混合的情况，节约处理工序和时间，同时尽可能减少处理成本。
（发明人：田民格;孟伟康;刘圣义;彭德元;曾俊;郏瑞花;高德超;曾志农;田沛霖;徐百鸣;马祥棣）
