一种具有油水分离及抗油污染双功能的图案化多孔纳米纤维材料及其制备方法和应用技术

技术编号:20530066 阅读:23 留言:0更新日期:2019-03-09 02:57
本发明专利技术属于环境材料领域,具体涉及一种具有油水分离及抗油污染双功能的图案化多孔纳米纤维材料及其制备方法和应用。以相互交错排列的疏水性纺丝纳米纤维为骨架,形成有序排列的微纳米级图案化结构;该图案化结构改善纤维材料开放的三维贯通的多孔结构,提高纤维材料的油水分离通量;结合多巴胺及光催化剂,增加处理的含油废水种类,并在分离过程中抗油污染。制备方法为:将形成纺丝纤维的材料溶于有机溶剂,静电纺丝后,浸入多巴胺溶液避光修饰,再浸入光催化剂悬浮水溶液负载光催化剂。该材料亲水性和亲油性良好,根据油水混合物种类选择性过油或过水,且保持高效的分离效率和分离通量,并可光催化降解有机物,抗油污染,可重复循环使用。

A patterned porous nanofiber material with dual functions of oil-water separation and oil pollution resistance and its preparation method and Application

The invention belongs to the field of environmental materials, in particular to a patterned porous nanofiber material with dual functions of oil-water separation and oil pollution resistance, and its preparation method and application. The hydrophobic spinning nanofibers are interlaced to form orderly micro-nano-scale patterned structure. The patterned structure improves the open three-dimensional porous structure of the fiber materials and increases the oil-water separation flux of the fiber materials. The combination of dopamine and photocatalyst increases the types of oily wastewater treated and resists oil pollution in the separation process. The preparation method is as follows: the material forming the spinning fiber is dissolved in organic solvent, after electrospinning, immersed in dopamine solution to avoid light modification, and then immersed in photocatalyst suspension solution to support photocatalyst. The material has good hydrophilicity and hydrophilicity. It selectively passes through oil or water according to the type of oil-water mixture, and maintains high separation efficiency and flux. It can photocatalytically degrade organic matter, resist oil pollution and can be reused.

【技术实现步骤摘要】
一种具有油水分离及抗油污染双功能的图案化多孔纳米纤维材料及其制备方法和应用
本专利技术属于环境材料领域,具体涉及一种具有油水分离及抗油污染双功能的图案化多孔纳米纤维材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着海上石油和石油化工行业的迅猛发展,溢油、漏油和含油废水排放不断增多,对人类和自然环境造成了严重危害。调查表明,全球范围内石油、化工和食品加工等行业每年大概有32亿立方吨的油进入水体形成含油废水,这些含油废水的种类和性质比较复杂,处理起来也极为困难、效率低且成本高。一般来说,含油废水主要是一些含烃类或脂肪甘油酯等的废水。根据废水中油相的粒径与存在形式,含油废水可分为浮油、分散油、乳化油和溶解油四种。目前,主要使用吸附、气浮、离心或化学混凝等传统油水分离技术处理油污染,但这些技术普遍存在缺点,例如,分离效率低、操作复杂或重复利用率低等。近来,膜分离技术由于能耗低、单级分离效率高、过程灵活简单、环境污染低、通用性强等优点,引起许多环境工作者的关注。传统的膜分离技术包括过滤、超滤和纳滤,但这些技术存在低渗透通量和高驱动压力等缺点,分离过程的分离效率受到膜的抗污染性、热稳定性、化学稳定性等内在因素及膜组件形式、操作条件等外在因素的限制。因此,提高膜分离效率、材料的重复使用能力是当前研究的热点。在膜分离技术中,超疏水-超亲油膜能够排斥油水混合物中的水相而让油相渗透从而达到高效油水分离,因此,构建具有超疏水-超亲油表面性能的膜材料成为了当前的研究热点。早年,德国植物学家发现荷叶表面的微米级乳突结构和在乳突上分布的纳米级柱状结构所组成的微纳米级复合结构是荷叶具有超疏水和自清洁能力的主要原因。受荷叶启发,通过在膜材料表面构建一定的微纳米级结构提高其超疏水性,以提高其油水分离效率这一策略引起了许多研究者的关注。静电纺丝是一种通过给聚合物溶液施加外加电场制备具有微纳米尺度的聚合物纤维的技术。通过设计与改变接收模板的表面微观形貌,制得表面具有可控微纳米级结构的纳米纤维膜。与传统膜分离材料相比,静电纺丝技术制得的图案化纤维膜具有孔隙率高、比表面积大、纤维精细程度高等特点,而且还可以通过设计材料表面微纳米结构以调控材料表面亲疏水性,这些优点使得图案化静电纺纤维材料成为低驱动压力下高渗透通量油水分离的理想候选材料。另一方面,由于超疏水-超亲油膜材料的潜在亲油性,即,与油滴极好的亲和力,使得油滴在模表面的粘附力较强。因此,油滴与其他杂质很容易被大量的、不可逆的吸附在模表面或者膜的孔道内部,导致膜污染严重,通量衰减快,且清洗过程中产生的乳化油滴易在膜表面聚结铺展,造成膜重复实用性差;而且还因为清洗较为困难,容易再次产生大量的含油废水,导致二次污染。因此,从实际应用出发,清除油水分离后膜材料上滞留的有机污染物,提高膜材料的重复使用性,也是当前的研究重任。在众多有机污染物处理技术中,光催化降解被认为是一种环境友好的污染物处理技术。且研究表明,紫外光(UV)下的TiO2光催化是一种通过光诱导电子/空穴对和高度氧化的OH自由基分解有机污染物的有效方法。但不足的是,TiO2只能在紫外光照射下起光催化作用,这大大地限制了TiO2的使用。基于此,一种在可见光下实现光催化降解有机污染物的可见光响应光催化剂是必需的。含铋纳米材料催化剂,尤其是钒酸铋(BiVO4),凭借其独特的光学、电学和可见光下优异的光催化活性引起了许多科研工作者的关注。综上,本申请设想在不影响纳米纤维膜本身结构,不损坏膜材料油水分离效率与分离通量的前提下,通过中间连接层将有机物降解催化剂(尤其是可见光下的降解催化剂,如BiVO4)负载到具有超疏水-超亲油的纳米纤维膜上,以此增加纳米纤维膜的重复使用能力。多巴胺作为一种可以自聚涂覆的绿色物质,在碱性有氧的水环境下发生聚合反应,生成具有强粘附性的聚多巴胺(PDA)。一方面,在纳米纤维膜上引入浓度较高的聚多巴胺将提高材料的亲水性。另一方面,由于聚多巴胺可以与金属或其氧化物固体基质间形成可逆配位键,使聚多巴胺涂覆层强力粘附在材料表面。因此,基于聚多巴胺的粘附特性,设想以聚多巴胺作为中间连接层,将有机物降解催化剂(尤其是可见光下的降解催化剂,如BiVO4)负载到超疏水-超亲油的纳米纤维膜上,改善纳米纤维膜材料的使用性能。本申请通过静电纺丝技术和PDA表面修饰技术制备具有油水分离及抗油污染双功能的图案化多孔纳米纤维材料,具有工艺简单,条件易于控制等优点。该材料结合图案化与PDA表面修饰改性,实现对不同状态的油水混合物选择性过水或过油的分离功能,并保持高效的油水分离效率与分离通量;再结合有机物降解催化剂(尤其是可见光下的降解催化剂,如BiVO4),避免油等有机物的滞留污染,进一步提高油水分离效率与分离通量,并实现重复循环使用功能。因此,本申请制备的具有油水分离及抗油污染双功能的图案化多孔纳米纤维材料具有很强的实用意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有油水分离及抗油污染双功能的图案化多孔纳米纤维材料,该材料结合图案化结构处理以及聚多巴胺表面修饰改性技术,大幅提高其亲水性与亲油性,形成双亲性材料,根据油水混合物状态选择性的过油或者过水,且在分离过程中保持高效的油水分离效率和油水分离通量,并可光催化降解有机物,抗油污染,实现可重复循环使用。本专利技术还提供一种具有油水分离及抗油污染双功能的图案化多孔纳米纤维材料的制备方法,该制备方法结合静电纺丝技术和PDA(聚多巴胺)表面修饰改性技术,简便易操作,成本低廉,适于工业化生产。一种具有油水分离及抗油污染双功能的图案化多孔纳米纤维材料,以相互交错排列的疏水性纺丝纳米纤维为骨架,有序排列微纳米级的图案化结构,并分布开放的三维贯通的多孔结构;疏水性纺丝纳米纤维表面包覆聚多巴胺,聚多巴胺负载光催化剂。纳米纤维材料的图案化结构均匀一体地形成于疏水性纺丝纳米纤维相互交错排列的静电纺丝全过程,图案化结构由相互间隔呈横向、纵向、横向与纵向垂直或横向与纵向多角度相互交叉排列的、尺寸可调的多个单位图案组成,单位图案包括圆形、椭圆形、平行四边形、矩形、菱形、方形、梯形或正多边形(n≧5),单位图案优选为圆形或椭圆形,更优选为半径30~500μm圆形。单位图案结构中央部位疏水性纺丝纳米纤维相互交错排列的密度和厚度均小于单位图案结构边缘部位疏水性纺丝纳米纤维相互交错排列的密度和厚度,单位图案结构中央部位疏水性纺丝纳米纤维相互交错形成孔径介于微米与纳米之间的开放的三维贯通的多孔结构,优选的,单位图案结构中央部位疏水性纺丝纳米纤维相互交错形成开放的三维贯通的介孔结构。图案化处理方法,可以调控疏水性纺丝纳米纤维在不同区域的相互交错排列密度和厚度,调整图案化结构内疏水性纺丝纳米纤维相互交错排列形成的孔径大小和孔道长短,最小化疏水性纺丝纳米纤维的阻力,保留截留功能的同时,提高分离通量和分离效率;结合聚多巴胺,改善纤维两亲性,使其既亲水又亲油,纯水与纯油均可通过,并根据油水混合物状态选择性的过油截留水(油包水)或者过水截留油(水包油),并保证高效的分离通量与分离效率;进一步结合聚多巴胺上负载的光催化剂,光催化降解油等有机物,解决油等有机物在疏水性纺丝纳米纤维表面的附着滞留,避免滞留导致孔径减小而引起的阻塞,抵抗油等有机物的污染,进一步本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种具有油水分离及抗油污染双功能的图案化多孔纳米纤维材料,其特征在于,以相互交错排列的疏水性纺丝纳米纤维为骨架,有序排列微纳米级的图案化结构,并分布开放的三维贯通的多孔结构;疏水性纺丝纳米纤维表面包覆聚多巴胺,聚多巴胺负载光催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种具有油水分离及抗油污染双功能的图案化多孔纳米纤维材料,其特征在于,以相互交错排列的疏水性纺丝纳米纤维为骨架,有序排列微纳米级的图案化结构,并分布开放的三维贯通的多孔结构;疏水性纺丝纳米纤维表面包覆聚多巴胺,聚多巴胺负载光催化剂。2.权利要求1所述图案化多孔纳米纤维材料的制备方法,其特征在于,步骤包括:(1)将形成疏水性纺丝纳米纤维的材料溶于有机溶剂中,采用图案化的接收模板,静电纺丝并使疏水性纺丝纳米纤维相互交错排列地沉积在接收模板上,制备图案化的多孔纳米纤维材料;(2)将图案化的多孔纳米纤维材料浸入溶有多巴胺的Tris-HCL缓冲液,避光放置,疏水性纺丝纳米纤维表面包覆聚多巴胺,制备聚多巴胺表面改性的图案化多孔纳米纤维材料;(3)将聚多巴胺表面改性的图案化多孔纳米纤维材料浸入光催化剂的悬浮水溶液,聚多巴胺负载光催化剂,制备具有油水分离及抗油污染双功能的图案化多孔纳米纤维材料。3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤(1),静电纺丝参数为:常温,室内湿度为40%~60%,纺丝电压为6.8kv~7.0kv,流量为0.01~0.02mL/min,收集距离为8~12cm,时间为5~10min。4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤(1),疏水性纺丝纳米纤维的材料包括聚乙烯醇缩丁醛、聚...

【专利技术属性】
技术研发人员:徐合柯勤飞应婷江依静
申请(专利权)人:上海师范大学
类型:发明
国别省市:上海,31

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