申請日2016.05.04
公開(公告)日2016.08.17
IPC分類號B01D69/12; B01D69/02; B01D67/00; C02F1/30; C02F1/72; C02F1/14; C02F1/04; B01J21/06
摘要
本發明涉及一種多功能納米復合污水凈化薄膜及其制備方法與應用，該凈化薄膜包括基底、沉積在基底上具有光熱轉化特性的光熱蒸發膜，及沉積在光熱蒸發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構的微納米薄膜，光熱蒸發膜由具有光熱轉化特性的金屬或其合金或非金屬無機物的微納米結構制成，催化降解膜由具有催化降解性能的納米光觸媒材料制成。與現有技術相比，本發明所提出的多功能納米復合薄膜同時具有光催化降解和光熱蒸發的功能，能夠對污水進行多元化凈化提純，從而提高太陽光的整體轉化率和利用率并可大大提高污水凈化效率。
權利要求書
1.一種多功能納米復合污水凈化薄膜，其特征在于，包括基底、沉積在基底上具有光熱轉化特性的光熱蒸發膜，及沉積在光熱蒸發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構的微納米薄膜，
所述的光熱蒸發膜由具有光熱轉化特性的金屬或其合金或非金屬無機物的微納米結構制成，
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.根據權利要求1所述的一種多功能納米復合污水凈化薄膜，其特征在于，具有一定多孔結構的微納米薄膜包括陽極氧化鋁濾膜、玻璃纖維濾膜或紙纖維濾膜。
3.根據權利要求1所述的一種多功能納米復合污水凈化薄膜，其特征在于，具有光熱轉化特性的金屬包括銀、鋁或金;具有光熱轉化特性的非金屬無機物包括碳、石墨或氧化鐵。
4.根據權利要求1所述的一種多功能納米復合污水凈化薄膜，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)光熱蒸發膜的制備：將具有一定多孔結構的微納米薄膜作為基底，在基底上沉積一層具有光熱轉化特性的金屬或其合金或非金屬無機物的微納米結構制成光熱蒸發膜;
(2)催化降解膜的制備：在上述光熱蒸發膜的基礎上，繼續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.根據權利要求5所述的一種多功能納米復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.根據權利要求6所述的一種多功能納米復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，將具有光熱轉換特性的金屬或其合金或非金屬無機物的微納米結構單元均勻分散至溶劑中，得到重量濃度1%-30%的溶液，通過減壓抽濾的方法在基底膜上沉積一層結構單元薄膜得到光熱蒸發膜;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，再次通過減壓抽濾的方法在上述所制得的光熱蒸發膜上再沉積一層催化降解膜，從而得到多功能納米復合污水凈化薄膜;
所述的溶劑為水、有機溶劑或水與有機溶劑的混合液，所述的有機溶劑包括乙醇、甲醇或丙酮。
8.根據權利要求6所述的一種多功能納米復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，將具有光熱轉換特性的金屬或其合金或非金屬無機物的微納米結構單元均勻分散至溶劑中，得到重量濃度1%-30%的溶液，通過可控旋涂裝置在基底膜上旋涂一層結構單元得到光熱蒸發膜;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，再次通過可控旋涂裝置在所制得的光熱蒸發膜上繼續沉積一層催化降解膜，從而得到多功能納米復合污水凈化薄膜;
所述的溶劑為水、有機溶劑或水與有機溶劑的混合液，所述的有機溶劑包括乙醇、甲醇或丙酮。
9.一種如權利要求1所述的多功能納米復合污水凈化薄膜的應用，其特征在于，利用所述的多功能納米復合污水凈化薄膜進行污水凈化，具體方法為：
將此多功能納米復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，當光照射到該多功能納米復合污水凈化薄膜的表面時，位于上層的催化降解膜吸收對應的電磁波段，產生具有強氧化性的自由基，將污水中的有害物質氧化降解，從而達到凈化的目的;與此同時，位于下層的光熱蒸發膜吸收所對應的電磁波段，并將其轉化為熱能，將水蒸發為水蒸氣，水蒸氣冷凝后可得到純凈水。
10.根據權利要求9所述的多功能納米復合污水凈化薄膜的應用，其特征在于，所述的光包括激光、可見光、太陽光、紫外光、紅外光或微波，也可為幾種光的疊加，但須能被光熱蒸發膜和催化降解膜所吸收。
說明書
一種多功能納米復合污水凈化薄膜及其制備方法與應用
技術領域
本發明屬于水凈化薄膜材料的制備及應用技術領域，具體是涉及一種多功能納米復合污水凈化薄膜及其制備方法與應用。
背景技術
隨著現代社會的快速發展和全球人口的急劇膨脹，能源消耗也在大大增加，進而導致日益嚴重的環境污染問題，如空氣污染和水污染。向自然界過度排放污染物的結果就是造成全球飲用水的嚴重短缺。據預測到2025年，全球將會有接近三分之二的人口處于水資源短缺的國家。解決水資源短缺的一個行之有效的方法便是將被污染的水進行諸如提純或蒸餾等工序凈化，使之可以再利用。由于太陽能具有可持續發展和綠色環保兩大優勢，因而利用太陽能來凈化污水受到越來越多科學家的高度重視，近幾年來也取得了巨大的進步。
目前采用光催化過程來降解污染物從而獲得純水是一個普遍采用且可靠的辦法。在光催化過程中，具有催化降解性能的納米光觸媒材料能夠吸收太陽光并產生高能自由基，如H2O2，OH·-，O2·-，和O3等，從而有效地將有機污染物降解成無毒小分子。然而，目前所研究的絕大部分光催化劑只能被特定波長的電磁波所激發，太陽光中的其他波段并未被充分利用起來。例如，二氧化鈦(TiO2)只在近紫外區域有較窄的吸收波段，因而具有較低的光催化效率。為此，研究者們通過改變其結構形貌，表面化學基團和組成來增加原有的吸收波段，進而提高二氧化鈦的光催化效率。
另一個利用太陽能來凈化水的有效途徑便是光熱蒸發過程。在該過程中太陽能被光熱轉換材料轉換成熱能，使得水能夠有效地被蒸發，產生的水蒸氣冷凝后便可得到純凈的水。光熱蒸發過程近年來得到了越來越多的關注，其中利用等離子體效應的光熱轉化蒸發已經被證實是一種高效的蒸發過程。最近的研究進一步證明利用局部加熱的電磁波吸收結構膜在氣-液界面進行蒸發是一種高效液體蒸發方法。在該蒸發體系中，具有電磁波吸收特性的微納米結構膜浮于液體表面，當電磁波照射到該吸收結構膜時，電磁波轉化為熱能，由于所產生的熱量主要集中在蒸汽產生的氣-液界面，減少了對界面下整個水體的不必要的加熱，因而提高了蒸汽的產生效率。該方法雖然提高了蒸汽產生的效率，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。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種多功能納米復合污水凈化薄膜及其制備方法與應用。本發明通過將具有催化降解性能的納米光觸媒材料和具有光熱轉換特性的材料進行復合，達到污水降解凈化與純水蒸發制備的同步進行，提高光的整體轉化率和利用率，并提高水的凈化效率。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
一種多功能納米復合污水凈化薄膜，包括基底、沉積在基底上具有光熱轉化特性的光熱蒸發膜，及沉積在光熱蒸發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構的微納米薄膜，
所述的光熱蒸發膜由具有光熱轉化特性的金屬或其合金或非金屬無機物的微納米結構制成，
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。
進一步地，具有一定多孔結構的微納米薄膜包括陽極氧化鋁濾膜、玻璃纖維濾膜或紙纖維濾膜等。
進一步地，具有光熱轉化特性的金屬包括銀、鋁或金等;具有光熱轉化特性的非金屬無機物包括碳、石墨或氧化鐵等。
進一步地，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。
一種多功能納米復合污水凈化薄膜的制備方法，包括以下步驟：
(1)光熱蒸發膜的制備：將具有一定多孔結構的微納米薄膜作為基底，在基底上沉積一層具有光熱轉化特性的金屬或其合金或非金屬無機物的微納米結構制成光熱蒸發膜;
(2)催化降解膜的制備：在上述光熱蒸發膜的基礎上，繼續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，將具有光熱轉換特性的金屬或其合金或非金屬無機物的微納米結構單元均勻分散至溶劑中，得到重量濃度1%-30%的溶液，通過減壓抽濾的方法在基底膜上沉積一層結構單元薄膜得到光熱蒸發膜;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，再次通過減壓抽濾的方法在上述所制得的光熱蒸發膜上再沉積一層催化降解膜，從而得到多功能納米復合污水凈化薄膜;
所述的溶劑為水、有機溶劑或水與有機溶劑的混合液，所述的有機溶劑包括乙醇、甲醇或丙酮。
進一步地，所述的涂膜工藝步驟如下：首先，將具有光熱轉換特性的金屬或其合金或非金屬無機物的微納米結構單元均勻分散至溶劑中，得到重量濃度1%-30%的溶液，通過可控旋涂裝置在基底膜上旋涂一層結構單元得到光熱蒸發膜;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，再次通過可控旋涂裝置在所制得的光熱蒸發膜上繼續沉積一層催化降解膜，從而得到多功能納米復合污水凈化薄膜;
所述的溶劑為水、有機溶劑或水與有機溶劑的混合液，所述的有機溶劑包括乙醇、甲醇或丙酮。
本發明所得多功能納米復合污水凈化薄膜的應用，利用所述的多功能納米復合污水凈化薄膜進行污水凈化，具體方法為：
將此多功能納米復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，當光照射到該多功能納米復合污水凈化薄膜的表面時，位于上層的催化降解膜吸收對應的電磁波段，產生具有強氧化性的自由基，將污水中的有害物質氧化降解，從而達到凈化的目的;與此同時，位于下層的光熱蒸發膜吸收所對應的電磁波段，并將其轉化為熱能，將水蒸發為水蒸氣，水蒸氣冷凝后可得到純凈水。由于該多功能納米復合污水凈化薄膜能從多方面對污水進行純化，因而提高了太陽光的利用效率以及污水凈化的效率。
進一步地，所述的光包括激光、可見光、太陽光、紫外光、紅外光或微波等，也可為幾種光的疊加，但須能被光熱蒸發膜和催化降解膜所吸收。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：
(1)本方法所制備的多功能納米復合污水凈化薄膜能夠將催化降解和光熱蒸發有效地結合在一起，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)多功能納米復合污水凈化薄膜在氣-液界面利用光能對污水進行凈化，這樣使得其中的光熱蒸發膜所產生的熱量集中在液體表面，避免了熱量流向液體內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，整個薄膜體系會隨著蒸發液面的變化而移動，保證了污水凈化過程的持續有效地進行。
(3)位于下層的光熱蒸發膜可同時作用于催化降解膜，促進光催化降解效率，同時體系因光熱轉換導致的溫度提高也會促進光催化的效率，提高整體的污水凈化速度。
