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CN105854627B - 一种多功能纳米复合污水净化薄膜及其制备方法与应用 - Google Patents

一种多功能纳米复合污水净化薄膜及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多功能纳米复合污水净化薄膜及其制备方法与应用，该净化薄膜包括基底、沉积在基底上具有光热转化特性的光热蒸发膜，及沉积在光热蒸发膜上具有催化降解性能的催化降解膜，基底为具有一定多孔结构的微纳米薄膜，光热蒸发膜由具有光热转化特性的金属或其合金或非金属无机物的微纳米结构制成，催化降解膜由具有催化降解性能的纳米光触媒材料制成。与现有技术相比，本发明所提出的多功能纳米复合薄膜同时具有光催化降解和光热蒸发的功能，能够对污水进行多元化净化提纯，从而提高太阳光的整体转化率和利用率并可大大提高污水净化效率。

Description

一种多功能纳米复合污水净化薄膜及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于水净化薄膜材料的制备及应用技术领域，具体是涉及一种多功能纳米复合污水净化薄膜及其制备方法与应用。
背景技术
随着现代社会的快速发展和全球人口的急剧膨胀，能源消耗也在大大增加，进而导致日益严重的环境污染问题，如空气污染和水污染。向自然界过度排放污染物的结果就是造成全球饮用水的严重短缺。据预测到2025年，全球将会有接近三分之二的人口处于水资源短缺的国家。解决水资源短缺的一个行之有效的方法便是将被污染的水进行诸如提纯或蒸馏等工序净化，使之可以再利用。由于太阳能具有可持续发展和绿色环保两大优势，因而利用太阳能来净化污水受到越来越多科学家的高度重视，近几年来也取得了巨大的进步。
目前采用光催化过程来降解污染物从而获得纯水是一个普遍采用且可靠的办法。在光催化过程中，具有催化降解性能的纳米光触媒材料能够吸收太阳光并产生高能自由基，如H2O2，OH·-，O2·-，和O3等，从而有效地将有机污染物降解成无毒小分子。然而，目前所研究的绝大部分光催化剂只能被特定波长的电磁波所激发，太阳光中的其他波段并未被充分利用起来。例如，二氧化钛(TiO2)只在近紫外区域有较窄的吸收波段，因而具有较低的光催化效率。为此，研究者们通过改变其结构形貌，表面化学基团和组成来增加原有的吸收波段，进而提高二氧化钛的光催化效率。
另一个利用太阳能来净化水的有效途径便是光热蒸发过程。在该过程中太阳能被光热转换材料转换成热能，使得水能够有效地被蒸发，产生的水蒸气冷凝后便可得到纯净的水。光热蒸发过程近年来得到了越来越多的关注，其中利用等离子体效应的光热转化蒸发已经被证实是一种高效的蒸发过程。最近的研究进一步证明利用局部加热的电磁波吸收结构膜在气-液界面进行蒸发是一种高效液体蒸发方法。在该蒸发体系中，具有电磁波吸收特性的微纳米结构膜浮于液体表面，当电磁波照射到该吸收结构膜时，电磁波转化为热能，由于所产生的热量主要集中在蒸汽产生的气-液界面，减少了对界面下整个水体的不必要的加热，因而提高了蒸汽的产生效率。该方法虽然提高了蒸汽产生的效率，但是仍然有部分光能未被充分利用，因而在光能利用上仍有提升的空间。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多功能纳米复合污水净化薄膜及其制备方法与应用。本发明通过将具有催化降解性能的纳米光触媒材料和具有光热转换特性的材料进行复合，达到污水降解净化与纯水蒸发制备的同步进行，提高光的整体转化率和利用率，并提高水的净化效率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种多功能纳米复合污水净化薄膜，包括基底、沉积在基底上具有光热转化特性的光热蒸发膜，及沉积在光热蒸发膜上具有催化降解性能的催化降解膜，
所述的基底为具有一定多孔结构的微纳米薄膜，
所述的光热蒸发膜由具有光热转化特性的金属或其合金或非金属无机物的微纳米结构制成，
所述的催化降解膜由具有催化降解性能的纳米光触媒材料制成。
进一步地，具有一定多孔结构的微纳米薄膜包括阳极氧化铝滤膜、玻璃纤维滤膜或纸纤维滤膜等。
进一步地，具有光热转化特性的金属包括银、铝或金等；具有光热转化特性的非金属无机物包括碳、石墨或氧化铁等。
进一步地，具有催化降解性能的纳米光触媒材料包括纳米二氧化钛、纳米氧化锌或纳米三氧化二铁等。
一种多功能纳米复合污水净化薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)光热蒸发膜的制备：将具有一定多孔结构的微纳米薄膜作为基底，在基底上沉积一层具有光热转化特性的金属或其合金或非金属无机物的微纳米结构制成光热蒸发膜；
(2)催化降解膜的制备：在上述光热蒸发膜的基础上，继续沉积具有催化降解性能的纳米光触媒材料制成催化降解膜。
步骤(1)和(2)所述的沉积方法包括减压抽滤、涂膜或自组装等工艺。
进一步地，所述的减压抽滤的工艺步骤如下：首先，将具有光热转换特性的金属或其合金或非金属无机物的微纳米结构单元均匀分散至溶剂中，得到重量浓度1％-30％的溶液，通过减压抽滤的方法在基底膜上沉积一层结构单元薄膜得到光热蒸发膜；然后，将具有催化降解性能的纳米光触媒材料均匀分散至溶剂中，得到重量浓度1％-30％的溶液，再次通过减压抽滤的方法在上述所制得的光热蒸发膜上再沉积一层催化降解膜，从而得到多功能纳米复合污水净化薄膜；
所述的溶剂为水、有机溶剂或水与有机溶剂的混合液，所述的有机溶剂包括乙醇、甲醇或丙酮。
进一步地，所述的涂膜工艺步骤如下：首先，将具有光热转换特性的金属或其合金或非金属无机物的微纳米结构单元均匀分散至溶剂中，得到重量浓度1％-30％的溶液，通过可控旋涂装置在基底膜上旋涂一层结构单元得到光热蒸发膜；然后，将具有催化降解性能的纳米光触媒材料均匀分散至溶剂中，得到重量浓度1％-30％的溶液，再次通过可控旋涂装置在所制得的光热蒸发膜上继续沉积一层催化降解膜，从而得到多功能纳米复合污水净化薄膜；
所述的溶剂为水、有机溶剂或水与有机溶剂的混合液，所述的有机溶剂包括乙醇、甲醇或丙酮。
本发明所得多功能纳米复合污水净化薄膜的应用，利用所述的多功能纳米复合污水净化薄膜进行污水净化，具体方法为：
将此多功能纳米复合污水净化薄膜移到待净化的液体表面上，使其浮于气-液界面，当光照射到该多功能纳米复合污水净化薄膜的表面时，位于上层的催化降解膜吸收对应的电磁波段，产生具有强氧化性的自由基，将污水中的有害物质氧化降解，从而达到净化的目的；与此同时，位于下层的光热蒸发膜吸收所对应的电磁波段，并将其转化为热能，将水蒸发为水蒸气，水蒸气冷凝后可得到纯净水。由于该多功能纳米复合污水净化薄膜能从多方面对污水进行纯化，因而提高了太阳光的利用效率以及污水净化的效率。
进一步地，所述的光包括激光、可见光、太阳光、紫外光、红外光或微波等，也可为几种光的叠加，但须能被光热蒸发膜和催化降解膜所吸收。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本方法所制备的多功能纳米复合污水净化薄膜能够将催化降解和光热蒸发有效地结合在一起，使得光能能够得到充分的利用，也提高了污水净化的效率。
(2)多功能纳米复合污水净化薄膜在气-液界面利用光能对污水进行净化，这样使得其中的光热蒸发膜所产生的热量集中在液体表面，避免了热量流向液体内部或器壁而造成的损失，能最大限度地提高能源的利用率。此外，整个薄膜体系会随着蒸发液面的变化而移动，保证了污水净化过程的持续有效地进行。
(3)位于下层的光热蒸发膜可同时作用于催化降解膜，促进光催化降解效率，同时体系因光热转换导致的温度提高也会促进光催化的效率，提高整体的污水净化速度。
附图说明
图1为由TiO2纳米颗粒-Au纳米颗粒-阳极氧化铝AAO多孔膜制成的多功能纳米复合污水净化薄膜(TiO2-Au-AAO薄膜)的扫描电镜图；
图2为蒸发量随时间的变化关系图；
图3为降解量随时间的变化关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施案例，以TiO2-Au-AAO薄膜为例对本发明作进一步说明。
实施例1
(1)光热蒸发膜的制备
按配方要求将HAuCl4溶液加入至沸腾的去离子水中，搅拌1分钟后再加入柠檬酸三钠溶液，然后持续搅拌20分钟后便得到粒径为10～100nm的纳米金颗粒，然后将所制备的金溶液离心浓缩。以阳极氧化铝AAO为基底膜，将其置于抽滤装置上，倒入25ml浓缩后的金溶液利用抽气泵进行减压抽滤，直至抽干为止。
(2)催化降解膜的制备
在上一步骤的基础上，继续倒入1ml的二氧化钛溶液(粒径为～25nm)，进行减压抽滤，然后自然晾干即可得到如图1所示的TiO2-Au-AAO体系的纳米多功能污水净化薄膜。
(3)利用上述所制备的纳米功能薄膜进行污水净化：将此TiO2-Au-AAO多功能污水净化纳米复合薄膜放入装有～10ml的罗丹明溶液(浓度为20mg/L)的烧杯中，用模拟太阳光对此薄膜体系进行垂直照射，光照强度为～6.7个太阳，照射时间为2小时，所测的降解速度和蒸发速度分别如图2和图3所示。
比较例1
为了突出该技术的优点，比较例中制备了单一体系的光热蒸发膜Au-AAO和催化降解膜TiO2-AAO作为对照组，实验条件不变，对其降解性能和蒸发性能分别进行了分析。具体结果如图2和图3所示。
从图中可知，采用本发明技术实施例1所制备的双功能污水净化膜具有最佳的降解性能。在2h内降解了～60％的罗丹明溶液，明显优于其它单一体系的膜结构体系。与此同时，该技术所制备的薄膜体系也保有了接近于单一光热蒸发膜优异的蒸发效果。
实施例2
一种新型多功能纳米复合污水净化薄膜及其制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)光热蒸发膜的制备：将具有一定多孔纳米结构的阳极氧化铝AAO薄膜作为基底，在基底模板上沉积一层具有光热转换特性的纳米银颗粒制备成光热蒸发膜。具体为：将具有光热转换特性的粒径大小为1～50nm的球形银颗粒均匀分散至水中，得到重量浓度1％-30％的溶液，通过减压抽滤的方法在AAO基底膜上沉积一层银颗粒薄膜得到光热蒸发膜。
(2)催化降解膜的制备：在上述光热蒸发膜的基础上，继续沉积具有催化降解性能的二氧化钛颗粒制备成催化降解膜。具体为：将具有催化降解性能的粒径大小为25nm的球形二氧化钛颗粒均匀分散至乙醇中，得到重量浓度1％-30％的溶液，通过减压抽滤的方法在光热蒸发膜上继续沉积一层二氧化钛颗粒薄膜得到催化降解膜。
(3)利用上述所制备的多功能纳米复合薄膜进行污水净化：将此纳米功能膜移到待净化的液体的液面上，使其浮于污水表面，当采用可见光照射到该纳米功能薄膜的表面时，位于上层的催化降解膜将吸收对应的电磁波段，并产生具有强氧化性的自由基，然后将污水中的有害物质氧化降解，从而达到有效净化的目的；与此同时，位于下层的光热蒸发膜将吸收所对应的电磁波段，并将其转化为热能，所产生的热量主要集中在该纳米功能薄膜的表面，将水进行蒸发，冷凝后可得到纯净水，从而提高水的净化效率。
实施例3
所述的具有一定多孔结构的基底薄膜为玻璃纤维滤膜；所述的具有光热转换特性的物质为金颗粒；所述的具有催化降解性能的纳米光触媒材料为纳米氧化锌颗粒；光热蒸发膜的制备通过涂膜工艺制得：将具有光热转换特性的金颗粒均匀分散至水中(重量浓度为1％-30％)，通过可控旋涂装置在玻璃纤维滤膜的表面形成光热蒸发膜；在上述光热蒸发膜的基础上，将具有催化降解性能的粒径大小为20nm的球形二氧化钛颗粒均匀分散至水中(重量浓度为1％-30％)，继续通过可控旋涂装置在光热蒸发膜上的基础上形成一层纳米氧化锌颗粒薄膜得到催化降解膜。其余同实施例2。
实施例4
所述的具有一定多孔结构的基底薄膜为阳极氧化铝；所述的具有光热转换特性的物质为碳粉；所述的具有催化降解性能的纳米光触媒材料为纳米三氧化二铁颗粒；光热蒸发膜的制备是通过减压抽滤工艺制得：将具有光热转换特性的物质为碳粉均匀分散至乙醇中(重量浓度为1％-30％)，通过减压抽滤装置在阳极氧化铝基底膜的上面形成光热蒸发膜；在上述光热蒸发膜的基础上，将具有催化降解性能的粒径大小为20nm的球形三氧化二铁颗粒均匀分散至乙醇中(重量浓度为1％-30％)，继续通过减压抽滤装置在光热蒸发膜上的基础上形成一层纳米三氧化二铁颗粒薄膜得到催化降解膜。其余同实施例2。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能纳米复合污水净化薄膜，其特征在于，包括基底、沉积在基底上具有光热转化特性的光热蒸发膜，及沉积在光热蒸发膜上具有催化降解性能的催化降解膜，
所述的基底为具有一定多孔结构的微纳米薄膜，
所述的光热蒸发膜由具有光热转化特性的金属或其合金或非金属无机物的微纳米结构制成，
所述的催化降解膜由具有催化降解性能的纳米光触媒材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种多功能纳米复合污水净化薄膜，其特征在于，具有一定多孔结构的微纳米薄膜包括阳极氧化铝滤膜、玻璃纤维滤膜或纸纤维滤膜。
3.根据权利要求1所述的一种多功能纳米复合污水净化薄膜，其特征在于，具有光热转化特性的金属包括银、铝或金；具有光热转化特性的非金属无机物包括碳或石墨。
4.根据权利要求1所述的一种多功能纳米复合污水净化薄膜，其特征在于，具有催化降解性能的纳米光触媒材料包括纳米二氧化钛、纳米氧化锌或纳米三氧化二铁。
5.一种多功能纳米复合污水净化薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)光热蒸发膜的制备：将具有一定多孔结构的微纳米薄膜作为基底，在基底上沉积一层具有光热转化特性的金属或其合金或非金属无机物的微纳米结构制成光热蒸发膜；
(2)催化降解膜的制备：在上述光热蒸发膜的基础上，继续沉积具有催化降解性能的纳米光触媒材料制成催化降解膜。
6.根据权利要求5所述的一种多功能纳米复合污水净化薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)和(2)所述的沉积方法包括减压抽滤、涂膜或自组装工艺。
7.根据权利要求6所述的一种多功能纳米复合污水净化薄膜的制备方法，其特征在于，所述的减压抽滤的工艺步骤如下：首先，将具有光热转换特性的金属或其合金或非金属无机物的微纳米结构单元均匀分散至溶剂中，得到重量浓度1％-30％的溶液，通过减压抽滤的方法在基底膜上沉积一层结构单元薄膜得到光热蒸发膜；然后，将具有催化降解性能的纳米光触媒材料均匀分散至溶剂中，得到重量浓度1％-30％的溶液，再次通过减压抽滤的方法在上述所制得的光热蒸发膜上再沉积一层催化降解膜，从而得到多功能纳米复合污水净化薄膜；
所述的溶剂为水、有机溶剂或水与有机溶剂的混合液，所述的有机溶剂包括乙醇、甲醇或丙酮。
8.根据权利要求6所述的一种多功能纳米复合污水净化薄膜的制备方法，其特征在于，所述的涂膜工艺步骤如下：首先，将具有光热转换特性的金属或其合金或非金属无机物的微纳米结构单元均匀分散至溶剂中，得到重量浓度1％-30％的溶液，通过可控旋涂装置在基底膜上旋涂一层结构单元得到光热蒸发膜；然后，将具有催化降解性能的纳米光触媒材料均匀分散至溶剂中，得到重量浓度1％-30％的溶液，再次通过可控旋涂装置在所制得的光热蒸发膜上继续沉积一层催化降解膜，从而得到多功能纳米复合污水净化薄膜；
所述的溶剂为水、有机溶剂或水与有机溶剂的混合液，所述的有机溶剂包括乙醇、甲醇或丙酮。
9.一种如权利要求1所述的多功能纳米复合污水净化薄膜的应用，其特征在于，利用所述的多功能纳米复合污水净化薄膜进行污水净化，具体方法为：
将此多功能纳米复合污水净化薄膜移到待净化的液体表面上，使其浮于气-液界面，当光照射到该多功能纳米复合污水净化薄膜的表面时，位于上层的催化降解膜吸收对应的电磁波段，产生具有强氧化性的自由基，将污水中的有害物质氧化降解，从而达到净化的目的；与此同时，位于下层的光热蒸发膜吸收所对应的电磁波段，并将其转化为热能，将水蒸发为水蒸气，水蒸气冷凝后可得到纯净水。
10.根据权利要求9所述的多功能纳米复合污水净化薄膜的应用，其特征在于，所述的光包括可见光、太阳光、紫外光、红外光或微波，或为几种光的叠加，所述光保证能被光热蒸发膜和催化降解膜所吸收。
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