多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜及其制備方法與應(yīng)用

中國(guó)污水處理工程網(wǎng) 時(shí)間：2018-3-8 10:46:59

　　申請(qǐng)日2016.05.04

　　公開(kāi)(公告)日2016.08.17

　　IPC分類(lèi)號(hào)B01D69/12; B01D69/02; B01D67/00; C02F1/30; C02F1/72; C02F1/14; C02F1/04; B01J21/06

　　摘要

　　本發(fā)明涉及一種多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜及其制備方法與應(yīng)用，該凈化薄膜包括基底、沉積在基底上具有光熱轉(zhuǎn)化特性的光熱蒸發(fā)膜，及沉積在光熱蒸發(fā)膜上具有催化降解性能的催化降解膜，基底為具有一定多孔結(jié)構(gòu)的微納米薄膜，光熱蒸發(fā)膜由具有光熱轉(zhuǎn)化特性的金屬或其合金或非金屬無(wú)機(jī)物的微納米結(jié)構(gòu)制成，催化降解膜由具有催化降解性能的納米光觸媒材料制成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提出的多功能納米復(fù)合薄膜同時(shí)具有光催化降解和光熱蒸發(fā)的功能，能夠?qū)ξ鬯M(jìn)行多元化凈化提純，從而提高太陽(yáng)光的整體轉(zhuǎn)化率和利用率并可大大提高污水凈化效率。

　　權(quán)利要求書(shū)

　　1.一種多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜，其特征在于，包括基底、沉積在基底上具有光熱轉(zhuǎn)化特性的光熱蒸發(fā)膜，及沉積在光熱蒸發(fā)膜上具有催化降解性能的催化降解膜，

　　所述的基底為具有一定多孔結(jié)構(gòu)的微納米薄膜，

　　所述的光熱蒸發(fā)膜由具有光熱轉(zhuǎn)化特性的金屬或其合金或非金屬無(wú)機(jī)物的微納米結(jié)構(gòu)制成，

　　所述的催化降解膜由具有催化降解性能的納米光觸媒材料制成。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜，其特征在于，具有一定多孔結(jié)構(gòu)的微納米薄膜包括陽(yáng)極氧化鋁濾膜、玻璃纖維濾膜或紙纖維濾膜。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜，其特征在于，具有光熱轉(zhuǎn)化特性的金屬包括銀、鋁或金;具有光熱轉(zhuǎn)化特性的非金屬無(wú)機(jī)物包括碳、石墨或氧化鐵。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜，其特征在于，具有催化降解性能的納米光觸媒材料包括納米二氧化鈦、納米氧化鋅或納米三氧化二鐵。

　　5.一種多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

　　(1)光熱蒸發(fā)膜的制備：將具有一定多孔結(jié)構(gòu)的微納米薄膜作為基底，在基底上沉積一層具有光熱轉(zhuǎn)化特性的金屬或其合金或非金屬無(wú)機(jī)物的微納米結(jié)構(gòu)制成光熱蒸發(fā)膜;

　　(2)催化降解膜的制備：在上述光熱蒸發(fā)膜的基礎(chǔ)上，繼續(xù)沉積具有催化降解性能的納米光觸媒材料制成催化降解膜。

　　6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜的制備方法，其特征在于，步驟(1)和(2)所述的沉積方法包括減壓抽濾、涂膜或自組裝工藝。

　　7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜的制備方法，其特征在于，所述的減壓抽濾的工藝步驟如下：首先，將具有光熱轉(zhuǎn)換特性的金屬或其合金或非金屬無(wú)機(jī)物的微納米結(jié)構(gòu)單元均勻分散至溶劑中，得到重量濃度1%-30%的溶液，通過(guò)減壓抽濾的方法在基底膜上沉積一層結(jié)構(gòu)單元薄膜得到光熱蒸發(fā)膜;然后，將具有催化降解性能的納米光觸媒材料均勻分散至溶劑中，得到重量濃度1%-30%的溶液，再次通過(guò)減壓抽濾的方法在上述所制得的光熱蒸發(fā)膜上再沉積一層催化降解膜，從而得到多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜;

　　所述的溶劑為水、有機(jī)溶劑或水與有機(jī)溶劑的混合液，所述的有機(jī)溶劑包括乙醇、甲醇或丙酮。

　　8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜的制備方法，其特征在于，所述的涂膜工藝步驟如下：首先，將具有光熱轉(zhuǎn)換特性的金屬或其合金或非金屬無(wú)機(jī)物的微納米結(jié)構(gòu)單元均勻分散至溶劑中，得到重量濃度1%-30%的溶液，通過(guò)可控旋涂裝置在基底膜上旋涂一層結(jié)構(gòu)單元得到光熱蒸發(fā)膜;然后，將具有催化降解性能的納米光觸媒材料均勻分散至溶劑中，得到重量濃度1%-30%的溶液，再次通過(guò)可控旋涂裝置在所制得的光熱蒸發(fā)膜上繼續(xù)沉積一層催化降解膜，從而得到多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜;

　　所述的溶劑為水、有機(jī)溶劑或水與有機(jī)溶劑的混合液，所述的有機(jī)溶劑包括乙醇、甲醇或丙酮。

　　9.一種如權(quán)利要求1所述的多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜的應(yīng)用，其特征在于，利用所述的多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜進(jìn)行污水凈化，具體方法為：

　　將此多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜移到待凈化的液體表面上，使其浮于氣-液界面，當(dāng)光照射到該多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜的表面時(shí)，位于上層的催化降解膜吸收對(duì)應(yīng)的電磁波段，產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的自由基，將污水中的有害物質(zhì)氧化降解，從而達(dá)到凈化的目的;與此同時(shí)，位于下層的光熱蒸發(fā)膜吸收所對(duì)應(yīng)的電磁波段，并將其轉(zhuǎn)化為熱能，將水蒸發(fā)為水蒸氣，水蒸氣冷凝后可得到純凈水。

　　10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜的應(yīng)用，其特征在于，所述的光包括激光、可見(jiàn)光、太陽(yáng)光、紫外光、紅外光或微波，也可為幾種光的疊加，但須能被光熱蒸發(fā)膜和催化降解膜所吸收。

　　說(shuō)明書(shū)

　　一種多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜及其制備方法與應(yīng)用

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明屬于水凈化薄膜材料的制備及應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜及其制備方法與應(yīng)用。

　　背景技術(shù)

　　隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展和全球人口的急劇膨脹，能源消耗也在大大增加，進(jìn)而導(dǎo)致日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，如空氣污染和水污染。向自然界過(guò)度排放污染物的結(jié)果就是造成全球飲用水的嚴(yán)重短缺。據(jù)預(yù)測(cè)到2025年，全球?qū)?huì)有接近三分之二的人口處于水資源短缺的國(guó)家。解決水資源短缺的一個(gè)行之有效的方法便是將被污染的水進(jìn)行諸如提純或蒸餾等工序凈化，使之可以再利用。由于太陽(yáng)能具有可持續(xù)發(fā)展和綠色環(huán)保兩大優(yōu)勢(shì)，因而利用太陽(yáng)能來(lái)凈化污水受到越來(lái)越多科學(xué)家的高度重視，近幾年來(lái)也取得了巨大的進(jìn)步。

　　目前采用光催化過(guò)程來(lái)降解污染物從而獲得純水是一個(gè)普遍采用且可靠的辦法。在光催化過(guò)程中，具有催化降解性能的納米光觸媒材料能夠吸收太陽(yáng)光并產(chǎn)生高能自由基，如H2O2，OH·-，O2·-，和O3等，從而有效地將有機(jī)污染物降解成無(wú)毒小分子。然而，目前所研究的絕大部分光催化劑只能被特定波長(zhǎng)的電磁波所激發(fā)，太陽(yáng)光中的其他波段并未被充分利用起來(lái)。例如，二氧化鈦(TiO2)只在近紫外區(qū)域有較窄的吸收波段，因而具有較低的光催化效率。為此，研究者們通過(guò)改變其結(jié)構(gòu)形貌，表面化學(xué)基團(tuán)和組成來(lái)增加原有的吸收波段，進(jìn)而提高二氧化鈦的光催化效率。

　　另一個(gè)利用太陽(yáng)能來(lái)凈化水的有效途徑便是光熱蒸發(fā)過(guò)程。在該過(guò)程中太陽(yáng)能被光熱轉(zhuǎn)換材料轉(zhuǎn)換成熱能，使得水能夠有效地被蒸發(fā)，產(chǎn)生的水蒸氣冷凝后便可得到純凈的水。光熱蒸發(fā)過(guò)程近年來(lái)得到了越來(lái)越多的關(guān)注，其中利用等離子體效應(yīng)的光熱轉(zhuǎn)化蒸發(fā)已經(jīng)被證實(shí)是一種高效的蒸發(fā)過(guò)程。最近的研究進(jìn)一步證明利用局部加熱的電磁波吸收結(jié)構(gòu)膜在氣-液界面進(jìn)行蒸發(fā)是一種高效液體蒸發(fā)方法。在該蒸發(fā)體系中，具有電磁波吸收特性的微納米結(jié)構(gòu)膜浮于液體表面，當(dāng)電磁波照射到該吸收結(jié)構(gòu)膜時(shí)，電磁波轉(zhuǎn)化為熱能，由于所產(chǎn)生的熱量主要集中在蒸汽產(chǎn)生的氣-液界面，減少了對(duì)界面下整個(gè)水體的不必要的加熱，因而提高了蒸汽的產(chǎn)生效率。該方法雖然提高了蒸汽產(chǎn)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間。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā)明通過(guò)將具有催化降解性能的納米光觸媒材料和具有光熱轉(zhuǎn)換特性的材料進(jìn)行復(fù)合，達(dá)到污水降解凈化與純水蒸發(fā)制備的同步進(jìn)行，提高光的整體轉(zhuǎn)化率和利用率，并提高水的凈化效率。

　　本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

　　一種多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜，包括基底、沉積在基底上具有光熱轉(zhuǎn)化特性的光熱蒸發(fā)膜，及沉積在光熱蒸發(fā)膜上具有催化降解性能的催化降解膜，

　　所述的基底為具有一定多孔結(jié)構(gòu)的微納米薄膜，

　　所述的光熱蒸發(fā)膜由具有光熱轉(zhuǎn)化特性的金屬或其合金或非金屬無(wú)機(jī)物的微納米結(jié)構(gòu)制成，

　　所述的催化降解膜由具有催化降解性能的納米光觸媒材料制成。

　　進(jìn)一步地，具有一定多孔結(jié)構(gòu)的微納米薄膜包括陽(yáng)極氧化鋁濾膜、玻璃纖維濾膜或紙纖維濾膜等。

　　進(jìn)一步地，具有光熱轉(zhuǎn)化特性的金屬包括銀、鋁或金等;具有光熱轉(zhuǎn)化特性的非金屬無(wú)機(jī)物包括碳、石墨或氧化鐵等。

　　進(jìn)一步地，具有催化降解性能的納米光觸媒材料包括納米二氧化鈦、納米氧化鋅或納米三氧化二鐵等。

　　一種多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜的制備方法，包括以下步驟：

　　(2)催化降解膜的制備：在上述光熱蒸發(fā)膜的基礎(chǔ)上，繼續(xù)沉積具有催化降解性能的納米光觸媒材料制成催化降解膜。

　　步驟(1)和(2)所述的沉積方法包括減壓抽濾、涂膜或自組裝等工藝。

　　進(jìn)一步地，所述的減壓抽濾的工藝步驟如下：首先，將具有光熱轉(zhuǎn)換特性的金屬或其合金或非金屬無(wú)機(jī)物的微納米結(jié)構(gòu)單元均勻分散至溶劑中，得到重量濃度1%-30%的溶液，通過(guò)減壓抽濾的方法在基底膜上沉積一層結(jié)構(gòu)單元薄膜得到光熱蒸發(fā)膜;然后，將具有催化降解性能的納米光觸媒材料均勻分散至溶劑中，得到重量濃度1%-30%的溶液，再次通過(guò)減壓抽濾的方法在上述所制得的光熱蒸發(fā)膜上再沉積一層催化降解膜，從而得到多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜;

　　所述的溶劑為水、有機(jī)溶劑或水與有機(jī)溶劑的混合液，所述的有機(jī)溶劑包括乙醇、甲醇或丙酮。

　　進(jìn)一步地，所述的涂膜工藝步驟如下：首先，將具有光熱轉(zhuǎn)換特性的金屬或其合金或非金屬無(wú)機(jī)物的微納米結(jié)構(gòu)單元均勻分散至溶劑中，得到重量濃度1%-30%的溶液，通過(guò)可控旋涂裝置在基底膜上旋涂一層結(jié)構(gòu)單元得到光熱蒸發(fā)膜;然后，將具有催化降解性能的納米光觸媒材料均勻分散至溶劑中，得到重量濃度1%-30%的溶液，再次通過(guò)可控旋涂裝置在所制得的光熱蒸發(fā)膜上繼續(xù)沉積一層催化降解膜，從而得到多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜;

　　所述的溶劑為水、有機(jī)溶劑或水與有機(jī)溶劑的混合液，所述的有機(jī)溶劑包括乙醇、甲醇或丙酮。

　　本發(fā)明所得多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜的應(yīng)用，利用所述的多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜進(jìn)行污水凈化，具體方法為：

　　進(jìn)一步地，所述的光包括激光、可見(jiàn)光、太陽(yáng)光、紫外光、紅外光或微波等，也可為幾種光的疊加，但須能被光熱蒸發(fā)膜和催化降解膜所吸收。

　　與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)本方法所制備的多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜能夠?qū)⒋呋到夂凸鉄嵴舭l(fā)有效地結(jié)合在一起，使得光能能夠得到充分的利用，也提高了污水凈化的效率。

　　(2)多功能納米復(fù)合污水凈化薄膜在氣-液界面利用光能對(duì)污水進(jìn)行凈化，這樣使得其中的光熱蒸發(fā)膜所產(chǎn)生的熱量集中在液體表面，避免了熱量流向液體內(nèi)部或器壁而造成的損失，能最大限度地提高能源的利用率。此外，整個(gè)薄膜體系會(huì)隨著蒸發(fā)液面的變化而移動(dòng)，保證了污水凈化過(guò)程的持續(xù)有效地進(jìn)行。

　　(3)位于下層的光熱蒸發(fā)膜可同時(shí)作用于催化降解膜，促進(jìn)光催化降解效率，同時(shí)體系因光熱轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的溫度提高也會(huì)促進(jìn)光催化的效率，提高整體的污水凈化速度。