处理水中全氟化合物的光热转换材料及应用该材料的装置

本发明涉及污水处理，具体为处理水中全氟化合物的光热转换材料及应用该材料的装置。

背景技术：

1、全氟类化合物具有持久性和生物累积性，在生物体内的蓄积水平高于已知的有机氯农药和二恶英等持久性有机污染物的数百倍至数千倍。全氟类化合物还具有生殖毒性、诱变毒性、发育毒性、神经毒性、免疫毒性等多种毒性，是一类具有全身多脏器毒性的环境污染物。

2、近年来，全氟化合物环境中被广泛检测，给水环境和人类健康带来了潜在威胁。全氟辛酸作为全氟化合物的代表被广泛应用各个领域。越来越多的全氟辛酸在水生生态系统中被发现和检测。吸附、电解和生物降解等技术已被用于处理全氟废水。然而，这些方法通常存在降解速度慢和二次污染的问题。因此，有必要开发一种高效的技术从水溶液中去除全氟辛酸。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了处理水中全氟化合物的光热转换材料及应用该材料的装置，解决了传统方式对全氟化合物存在降解速度慢和二次污染的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：处理水中全氟化合物的光热转换材料，所述光热转换材料的制备包括以下重量物料：氧化石墨烯粉末25-50mg、葡萄糖300-600mg、去离子水1.5-2.0l、氨水300-500μl、无水乙醇700-800ml、二氧化钛纳米颗粒0.7-0.8g和硼氢化钠0.3-0.4g；

3、所述光热转换材料的制备工艺，包括以下步骤：

4、s1.还原氧化石墨烯的合成

5、首先向超声波分散仪中加入250-500ml去离子水，再将氧化石墨烯和葡萄糖添加到分散仪中，超声处理30min后将混合液体取出，再加入200-400μl的氨水，并放入水浴设备中在95℃的温度条件下反应1h，反应结束后将溶液放入离心管中，并对溶液进行离心洗涤处理，取底部离心产物放入冻干机中冷冻干燥48h后制得还原氧化石墨烯；

6、s2.黑色二氧化钛的合成

7、将二氧化钛纳米颗粒和硼氢化钠粉末放入研磨机中完全研磨混合均匀，再将混合物转移至方形瓷舟中并置于管式炉中心位置，再使用氮气吹扫20min，混合物在氮气气氛以及600-650℃的环境温度下煅烧4-6h后再逐渐冷却至室温形成固体产物，并对固体产物进行离心洗涤处理，取底部离心产物放入真空干燥机中，以80℃的温度真空干燥12h后得到黑色二氧化钛；

8、s3.光热转换材料的合成

9、称取0.1-0.2g还原氧化石墨烯，以及110-150ml的去离子水放入超声分散仪中处理15min，然后再称取0.5-0.6g黑色二氧化钛粉末以及40-50ml的无水乙醇放入超声分散仪中处理10min，分散完成后首先将还原氧化石墨烯溶液放入搅拌机中，在机械搅拌条件下将黑色二氧化钛溶液倒入还原氧化石墨烯溶液中搅拌混合，随后缓慢滴加氨水，直至搅拌机中溶液ph值达到10.5；然后将混合溶液超声分散后置于聚四氟乙烯水热反应釜中，并在200℃的温度下保持12h，反应完成后冷却至室温，取底部黑色沉淀进行离心洗涤，离心后将固体产物放入烘箱中以80℃干燥12h后，得到还原氧化石墨烯与黑色二氧化钛复合的光热转换材料。

10、优选的，所述s1步骤中，对溶液进行离心洗涤处理的具体操作如下：并加入去离子水和无水乙醇以3000rpm的转速离心5min，第一次离心结束后倒出上清液再次加入去离子水和无水乙醇继续离心洗涤，重复三遍。

11、优选的，所述s2步骤中，对固体产物进行离心洗涤处理的具体操作如下：随后使用去离子水洗涤固体产物并以8000rpm的转速离心5min，重复三遍。

12、优选的，所述s3步骤中，对黑色沉淀进行离心洗涤的具体操作如下：将黑色沉淀放入离心管中，使用去离子水和无水乙醇以8000rpm离心洗涤黑色沉淀，并重复三遍。

13、优选的，应用光热转换材料的装置，包括等离子体反应器，所述等离子体反应器顶部内壁上固定连接有蓄水池，所述蓄水池的内径上开设有豁口，所述等离子体反应器顶部右侧固定连接有伺服电机，所述伺服电机的输出端贯穿等离子体反应器并固定连接有驱动轴，所述驱动轴底端固定连接有混合叶，且混合叶位于蓄水池内，所述等离子体反应器顶部中心位置固定连接有绝缘护套，所述绝缘护套底部固定连接有金属电极，所述金属电极外部设置有石英管，且石英管与等离子体反应器之间固定连接，所述金属电极与石英管之间的夹层内设置有铝粉填充区。

14、优选的，所述等离子体反应器顶部一侧贯穿并固定连接有回流管，所述回流管的一端固定连接有蠕动泵，所述蠕动泵的进水口固定连接有三通管，所述三通管的两节分别固定连接有第二电磁阀和第一电磁阀，所述三通管的两端分别与等离子体反应器和超声分散机连接。

15、优选的，应用光热转换材料的装置处理水中全氟化合物的处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

16、s1.模拟污水配制

17、在实验室条件下配制浓度为10-50mg/l的全氟辛酸溶液作为模拟污水放入烧杯中，并称取一定量的光热转换材料放入烧杯内，并将烧杯放入超声分散机内进行超声分散处理；

18、s2.进水处理

19、打开第一电磁阀关闭第二电磁阀，随后蠕动泵工作将超声分散机内的模拟污水抽出并通过回流管输送至蓄水池内，同时伺服电机工作通过驱动轴带动混合叶转动，搅动蓄水池内的模拟污水，当污水液面越过蓄水池内径上的豁口时，污水均匀的经过放电区域，金属电极通电通过铝粉填充区对污水进行放电处理；

20、s3.循环处理

21、关闭第一电磁阀打开第二电磁阀，初次放电处理后的污水通过三通管再次回到蠕动泵内，继续泵送至蓄水池中，重复上述操作循环处理多次后，直至污水中的全氟辛酸被降解。

22、本发明提供了处理水中全氟化合物的光热转换材料及应用该材料的装置。具备以下有益效果：

23、1、本发明通过使用光催化剂和介质阻挡放电技术提高能量利用效率。光催化剂可以被光辐射激活，产生与污染物反应的高反应性活性物质，且可以常温常压下进行。然而催化剂受光生电子-空穴对的快速复合、太阳能利用率低和光腐蚀问题等诸多因素的影响。将低温等离子体技术与光催化技术结合不仅可以充分利用等离子体放电过程产生的物理和化学效应，提高能量利用率，还能实现对污染物的高效去除。

24、2、本发明通过利用光热转换材料和等离子体反应器配合使用。最大光热转换效率达到91.8％，在使用200mg l-1的光热转换材料处理120分钟后，全氟化合物降解率达到94.7％，反应速率常数为0.0228min-1，分别是仅热催化和光催化降解的16.29倍和3.4倍，反应速率更快且降解效果更好。等离子体加光热转换材料的体系对全氟辛酸的处理效率达到99％以上。

技术特征：

1.处理水中全氟化合物的光热转换材料，其特征在于：所述光热转换材料的制备包括以下重量物料：氧化石墨烯粉末25-50mg、葡萄糖300-600mg、去离子水1.5-2.0l、氨水300-500μl、无水乙醇700-800ml、二氧化钛纳米颗粒0.7-0.8g和硼氢化钠0.3-0.4g；

2.根据权利要求1所述的处理水中全氟化合物的光热转换材料，其特征在于：所述s1步骤中，对溶液进行离心洗涤处理的具体操作如下：并加入去离子水和无水乙醇以3000rpm的转速离心5min，第一次离心结束后倒出上清液再次加入去离子水和无水乙醇继续离心洗涤，重复三遍。

3.根据权利要求1所述的处理水中全氟化合物的光热转换材料，其特征在于：所述s2步骤中，对固体产物进行离心洗涤处理的具体操作如下：随后使用去离子水洗涤固体产物并以8000rpm的转速离心5min，重复三遍。

4.根据权利要求1所述的处理水中全氟化合物的光热转换材料，其特征在于：所述s3步骤中，对黑色沉淀进行离心洗涤的具体操作如下：将黑色沉淀放入离心管中，使用去离子水和无水乙醇以8000rpm离心洗涤黑色沉淀，并重复三遍。

5.根据权利要求1所述的应用光热转换材料的装置，其特征在于：包括等离子体反应器(1)，所述等离子体反应器(1)顶部内壁上固定连接有蓄水池(14)，所述蓄水池(14)的内径上开设有豁口，所述等离子体反应器(1)顶部右侧固定连接有伺服电机(3)，所述伺服电机(3)的输出端贯穿等离子体反应器(1)并固定连接有驱动轴(12)，所述驱动轴(12)底端固定连接有混合叶(13)，且混合叶(13)位于蓄水池(14)内，所述等离子体反应器(1)顶部中心位置固定连接有绝缘护套(4)，所述绝缘护套(4)底部固定连接有金属电极(15)，所述金属电极(15)外部设置有石英管(16)，且石英管(16)与等离子体反应器(1)之间固定连接，所述金属电极(15)与石英管(16)之间的夹层内设置有铝粉填充区(17)。

6.根据权利要求5所述的应用光热转换材料的装置，其特征在于：所述等离子体反应器(1)顶部一侧贯穿并固定连接有回流管(5)，所述回流管(5)的一端固定连接有蠕动泵(8)，所述蠕动泵(8)的进水口固定连接有三通管(6)，所述三通管(6)的两节分别固定连接有第二电磁阀(10)和第一电磁阀(9)，所述三通管(6)的两端分别与等离子体反应器(1)和超声分散机(7)连接。

7.根据权利要求1所述的应用光热转换材料的装置处理水中全氟化合物的处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明提供处理水中全氟化合物的光热转换材料及应用该材料的装置，涉及污水处理领域。该处理水中全氟化合物的光热转换材料，包括以下重量物料：氧化石墨烯粉末25‑50mg、葡萄糖300‑600mg、去离子水1.5‑2.0L、氨水300‑500μL、无水乙醇700‑800mL、二氧化钛纳米颗粒0.7‑0.8g和硼氢化钠0.3‑0.4g。通过使用光催化剂和介质阻挡放电技术提高能量利用效率。光催化剂可以被光辐射激活，产生与污染物反应的高反应性活性物质，且可以常温常压下进行，将低温等离子体技术与光催化技术结合不仅可以充分利用等离子体放电过程产生的物理和化学效应，提高能量利用率，还能实现对污染物的高效去除。

技术研发人员：朱大海,吴佳佳,于伟,李一凡,汪玲玲,李艳芬,高翔宇,汪健捷,岳亭亭,蒋晨,李泽典
受保护的技术使用者：上海第二工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12