[发明专利]污水处理装置及处理方法

权利要求书

1.一种污水处理装置，其特征在于：所述污水处理装置包括处理罐体、动力与电控单元、气体供给与尾气回收单元以及循环反应处理单元；所述处理罐体上设置有进液口（30）、排液口（18）、气体入口以及尾气排气口；所述气体供给与尾气回收单元通过气体入口与处理罐体相贯通；所述尾气排气口与气体供给与尾气回收单元相贯通；所述循环反应处理单元包括外部循环设备以及反应处理部件；所述反应处理部件置于处理罐体内部；所述外部循环设备置于处理罐体外部并分别与进液口（30）以及排液口（18）相贯通；所述动力与电控单元与反应处理部件相连；待处理污水通过进液口（30）进入处理罐体内部并与反应处理部件反应，所述反应处理部件包括微纳米曝气圆盘、电化学阴极、三维粒子电极以及电化学阳极；所述微纳米曝气圆盘、电化学阴极、三维粒子电极以及电化学阳极自前而后依次设置在处理罐体中；所述动力与电控单元分别与电化学阴极以及电化学阳极相连；所述气体入口与处理罐体相贯通并与微纳米曝气圆盘相连；所述电化学阴极和电化学阳极之间填充有过硫酸盐层，所述电化学阴极是铁氧体修饰Mxene的层状气体扩散电极、铁氧体修饰碳纤维布电化学阴极和/或碳化MOFs电化学阴极；所述三维粒子电极是磁性碳材料原位生长MOFs纳米材料所形成的电极；所述电化学阳极是不锈钢网状电极、铂丝网电极和/或钛丝网电极。

2.根据权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于：所述电化学阴极是铁氧体修饰Mxene的层状气体扩散电极时，所述铁氧体修饰Mxene的层状气体扩散电极的制备方法是：

1）Mxene材料的制备：取MAX相材料浸入在HF水溶液中，干燥，洗涤和离心，除去表面残渣杂质，干燥，直至达到恒定的质量得到Mxene材料；

2）铁氧体修饰MXene材料：在铁氧体中加入步骤1）得到的MXene材料后超声、过滤洗涤至中性；然后焙烧，冷却后得到铁氧体修饰MXene材料待用；

3）层状气体扩散电极制备：将步骤2）得到的铁氧体修饰MXene材料与促导剂、造孔剂、粘结剂和无水乙醇混合物超声后，在恒温水浴下搅拌至混合物呈膏状，将膏状凝胶物取出，置于轴压机上反复轴压呈片状，将片状物质包裹在泡沫镍上继续轴压至不含水份，然后采用滚轴机滚压得到电极，将滚压好的电极置于恒温干燥箱中烘干后，在10-20MPa压力下压制成型，然后置于管式炉中在惰性气体条件下焙烧，最后在沸水中浸泡，取出后干燥即得到铁氧体修饰MXene的层状气体扩散电极；

所述电化学阴极是铁氧体修饰碳纤维布电化学阴极时，所述铁氧体修饰碳纤维布电化学阴极的制备方法是：

1）改性碳纤维布的制备：将碳纤维布完全浸入在装有强氧化性溶液中，超声，然后置于恒温反应釜中反应，后用水洗涤表面残渣杂质，至pH至中性，后真空烘箱烘干即得改性碳纤维布；

2）铁氧体修饰改性碳纤维布的制备：向超纯水中加入含Fe³⁺盐类和2价金属盐类，用磁力搅拌器搅拌以使其混合均匀并完全溶解得到混合溶液，加入改性碳纤维布，并向其中加入聚乙二醇，或者氟化铵和尿素组合物继续搅拌，之后放置在恒温反应釜内反应，反应完毕后冷却，洗涤，后置于恒温干燥箱中烘干，然后置于管式电炉中，通入惰性气体作为保护气，焙烧，即得铁氧体修饰改性碳纤维布；

所述电化学阴极是碳化MOFs电化学阴极时，所述碳化MOFs电化学阴极的制备方法是：

1）将吸附有金属离子或有机物的金属有机骨架化合物MOFs离心分离后置于管式电炉内，在惰性气体保护下高温焙烧，冷却后研磨，得到碳化MOFs材料；

2）将步骤1）制备得到的碳化MOFs材料与促导剂、造孔剂和无水乙醇或聚乙二醇混合物后超声，加入粘结剂后在恒温水浴下搅拌至橡皮状的混合物；将橡皮状的混合物包裹在泡沫镍上，添加乙醇后压制成型，随后在惰性气体保护的条件下焙烧，再用80-100℃水洗涤，自然风干后得到碳化MOFs材料的电化学阴极；

所述三维粒子电极所采用的磁性碳材料原位生长MOFs纳米材料的制备方法是：

1）将磁性纳米材料制备成磁性纳米材料水溶液，将碳化材料加入磁性纳米材料水溶液中超声混匀，得到混合溶液；

2）将步骤1）制备得到的混合溶液在恒温磁力搅拌器中于40℃-60℃、转速是3rpm的条件下反应不低于24 h；

3）将经过步骤2）后得到的溶液冷却至室温后通过定性滤纸过滤并洗涤滤饼直至最后一次过滤液呈中性，得到洗涤至中性的吸附剂；

4）将步骤3）制备得到的洗涤至中性的吸附剂置于40℃-60℃电热恒温干燥箱中烘干不低于12 h，研磨至粉状；

5）将步骤4）得到的粉状吸附剂放入不带盖石英坩埚中铺匀后置于以N₂作为保护气气流的真空管式电炉中，以升温速率4-6℃/min升温至600℃并恒温2 h，冷却后研磨，得到磁性碳材料；所述碳化材料是多壁碳纳米管、石墨烯以及生物碳中的一种或多种的组合；磁性纳米材料是零价铁、γ-Fe₂O₃或水热合成法形成的尖晶石铁氧体；

6）将步骤5）制备得到的磁性碳材料在超纯水中用超声分散均匀，加入过渡金属盐并使其完全溶解，再向其中加入有机配体，密封搅拌后转移到高压反应釜中反应，反应结束后将高压反应釜中的固液混合物取出，对其进行超纯水清洗、密封搅拌以及离心处理，对离心后的固体用无水乙醇清洗，干燥后得到磁性碳材料原位生长MOFs纳米材料。