申请日2016.05.04
公开(公告)日2016.08.17
IPC分类号B01D69/12; B01D69/02; B01D67/00; C02F1/30; C02F1/72; C02F1/14; C02F1/04; B01J21/06
摘要
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。
权利要求书
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、石墨或氧化铁。
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，所述的光包括激光、可见光、太阳光、紫外光、红外光或微波，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。
说明书
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。