本发明专利技术涉及一种减缓水库“翻库”现象的纳米薄膜，包括有三层结构，第一层为氧化石墨烯/水溶性阿拉伯胶/聚乙烯醇纳米纤维薄膜，第二层为生物炭吸附层，第三层为聚丙烯腈‑生物炭纳米纤维薄膜。本发明专利技术通过对纳米薄膜层的特殊设计，达到减缓水库“翻库”现象造成水质恶化的目的。
【技术实现步骤摘要】
一种减缓水库“翻库”现象的纳米薄膜及装置
本专利技术涉及一种纳米薄膜，尤其涉及一种减缓水库“翻库”现象的纳米薄膜。
技术介绍
水库修建的目的之一就是其兴利作用，径流调节，蓄洪补枯，使天然来水在时间及空间上能更好的满足人们的需求，为附近的地区提供饮用水和灌溉用水。水库“翻库”（水库“翻底”）现象具体原因之一是由于库底的淤泥由于长期积压而处于厌氧状态并且存在大量的厌氧菌，随着气温升高、溶氧不足，淤泥快速发酵产生甲烷等厌氧气体并不断上涌，导致水体发黑，并且可能将淤泥中的污染物质带入上覆水体。可见水库的“翻库”现象会影响到水体的水质。纳米纤维薄膜主要是由高分子聚合物制备，目前制备技术中比较受到关注的是静电纺丝技术。由于制备得到的纳米纤维薄膜具有纤维比表面积较大，孔径小、孔间结合性良好、催化剂易负载，适用性广泛等诸多优点，使其在水处理、医药方面及组织工程等领域都有良好的应用前景。其中纳米纤维由于直径细化，纤维分子链段或功能基团暴露在其表面的几率提高，从而也提高了催化剂在其表面负载的可能性，使纳米纤维薄膜功能化效率提高从而满足在环境治理与修复方面的应用。生物炭是生物质材料在限氧、低温(<800℃)条件下，经过加热分解获得的一种芳香碳及矿物丰富的固态产物。由于特殊的多孔结构以及高比表面积，生物炭不仅用作土壤修复剂提高土壤的肥力，其固碳能力可以从大气中捕获碳元素到土壤从而减缓气候变化，并且它作为吸附剂，可以有效吸附水体及土壤中的污染物，降低污染物对生物的可利用性和毒性。生物炭由不同的有机和无机组分组成，可以通过不同的机制与污染物反应，比如配位、吸附、芳香环-Π键和阳离子-Π键反应以及静电引力。生物炭可在水中去除污染物的能力使它成为在水处理尤其是含有多种污染物的复杂污水中的合适的吸附剂之一，由于其经济、高效的特点，在污染物处理及饮用水体修复方面，受到人们的广泛关注。目前对于生物炭用于水处理及土壤修复等方面的专利中，生物炭的制备和应用存在如下问题：（1）由不同的生物质制备的生物炭特性不同，面对不同环境和污染情况，其应用效果的稳定性差异较大。（2）在生物炭制备过程中，热解温度对其比表面积和孔隙率有较大影响，并影响其应用于污染物的吸附效果。（3）生物炭吸附污染物后存在后续的回收处理问题。
技术实现思路
本专利技术为了解决水库“翻库”现象影响水库水质的问题，提供了一种减缓水库“翻库”现象的纳米薄膜，通过对纳米薄膜层的特殊设计，达到减缓水库“翻库”现象造成水质恶化的目的。本专利技术所采取的技术方案为：一种减缓水库“翻库”现象的纳米薄膜，纳米薄膜包括有三层结构，第一层为氧化石墨烯/水溶性阿拉伯胶/聚乙烯醇纳米纤维薄膜（GO/GA/PVA），即第一层纳米纤维薄膜包含GO、GA和PVA，第二层为生物炭吸附层，第三层为聚丙烯腈(PAN)-生物炭纳米纤维薄膜。进一步的，所述聚丙烯腈-生物炭纳米纤维薄膜的制备方法为：S1将红杉木制得的生物炭加入碱溶液中充分搅拌混合后，将样品进行高温活化、清洗、干燥得到活化后的生物炭；S2将聚丙烯腈溶解于N,N-二甲基甲酰胺和二甲亚砜(DMF/DMSO)的混合溶液中，加入活化后的生物炭得到混合物，通过静电纺丝技术将所述混合物制备得PAN-生物炭纳米纤维薄膜，清洗、烘干。进一步的，生物炭吸附层的制备方法为：将干燥的树叶放入气氛炉中，氩气氛围下以5-10℃/min的升温速率升温至800-1000℃并保温1-2h，反应结束后，将炭化的树叶浸泡于盐酸溶液中，然后烘干制得。进一步的，氧化石墨烯/水溶性阿拉伯胶/聚乙烯醇纳米纤维薄膜的制备方法为：S1硫酸和石墨粉末混合并冰浴搅拌，得到均相溶液，然后向所述均相溶液中加入高锰酸钾和硝酸钠搅拌，在强酸环境下，高锰酸钾和硝酸根均具有强氧化性，反应一段时间后，加入去离子水进行水浴加热继续反应，反应结束后冷却至室温，加入过氧化氢搅拌后离心处理取上清液，向所述上清液中加入去离子水和盐酸，搅拌、离心、干燥得氧化石墨烯；硫酸是强质子酸，可以进入石墨层间，硫酸加入是为提供酸性环境，高锰酸钾在酸性条件下氧化性加强。加入过氧化氢是为了去除多余的高锰酸钾。制备均相溶液时采用冰浴是因为浓硫酸反应会放热，冰浴可降低环境温度，使反应不要过于剧烈。S2将水溶性阿拉伯胶和聚乙烯醇分别溶解于去离子水中得到水溶性阿拉伯胶溶液和聚乙烯醇溶液，将氧化石墨烯加到水溶性阿拉伯胶中得到混合溶液，搅拌，再加入聚乙烯醇溶液，利用静电纺丝技术制得GO/GA/PVA纳米纤维薄膜。进一步的，所述生物炭的制备方法为采用红杉木在520-530℃下热解，热解时间为2-4min；所述碱溶液为NaOH溶液，所述NaOH溶液的浓度为150-250g/L；所述高温活化的活化条件为以5~10℃/min的升温速率升温至800℃并在800℃保持2h，活化期间流通有200mL/min的流速的氮气；干燥条件为50-60℃下18-24h。进一步的，所述N,N-二甲基甲酰胺和二甲亚砜体积比为8:1-10:1；N,N-二甲基甲酰胺和二甲亚砜纯度为99.99%，活化的生物炭与PAN、DMF/DMSO混合物的质量比为1.5-2%；烘干条件为在50-60℃下烘干8-12h。进一步的，所述硫酸与石墨粉末混合的质量比为26:1-28:1，加入高锰酸钾和硝酸钠后的进行搅拌，搅拌条件为35-45℃下搅拌20-30min；向硫酸、石墨粉末、高锰酸钾和硝酸钠混合物中加入去离子水后在75-85℃水浴条件下反应30-40min。进一步的，所需水溶性阿拉伯胶、聚乙烯醇和聚乙烯醇的质量比为1:20:20-1:25:25。进一步的，所述静电纺丝技术中静电纺丝参数为电场强度：1.0-1.2KV/cm，流速：1.2-1.4mL/h，纤维收集装置转速：300-400rpm。进一步的，在所述纳米薄膜周边固定有中空管，所述中空管侧壁设置有若干小孔，所述小孔由所述中空管腔体通向中空管外，所述若干小孔设置于纳米薄膜与所述中空管连接处。进一步的，所述中空管为PVC软管。本专利技术所产生的有益效果包括：本专利技术涉及一种减缓水库“翻库”现象的纳米薄膜，其主要在于多层纳米薄膜的作用。上层为GO/GA/PVA纳米纤维薄膜，中间为生物炭吸附层，下层为PAN-生物炭纳米纤维薄膜。当库底淤泥厌氧产气而翻涌时，首先接触下层PAN-生物炭纳米纤维薄膜，对于淤泥及部分污染物有一定的阻隔及吸附效果，对于进入到薄膜中间层的污染物，此时薄膜中间层的生物炭由于其高比表面积，对于涌入的污染物有较好的缓冲和吸附效果，防止污染物向上层扩散。上层为GO/GA/PVA纳米纤维薄膜，具有一定的疏水性，接触上覆水体，减少上覆水体的下渗。基于以上内容，本专利技术的优势在于：（1）本专利技术采用生物炭及氧化石墨烯制作纳米纤维薄膜，较高比表面积及材料基面丰富的官能团，可以大面积与污染物紧密结合，达到快速且高效去除污染物的效果。（2）本专利技术取材环保，对纳米纤维薄膜制备工艺进行优化设计，采用新型的静电纺丝制作技术，使纳米纤维薄膜有较高的孔隙率、直径分布均匀等特点。（3）本专利技术采用的结构设计，充分考虑到应用于水库“翻库”等情况，PVC软管带孔设计，使膜在阻隔污染物的同时，不会因累积过多气体而胀破。（4）本专利技术结构简单、布置灵活、易于回收利用，且不会对水环境造成二次污本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种减缓水库“翻库”现象的纳米薄膜，其特征在于：纳米薄膜包括有三层结构，第一层为氧化石墨烯/水溶性阿拉伯胶/聚乙烯醇纳米纤维薄膜，第二层为生物炭吸附层，第三层为聚丙烯腈‑生物炭纳米纤维薄膜。
【技术特征摘要】
1.一种减缓水库“翻库”现象的纳米薄膜，其特征在于：纳米薄膜包括有三层结构，第一层为氧化石墨烯/水溶性阿拉伯胶/聚乙烯醇纳米纤维薄膜，第二层为生物炭吸附层，第三层为聚丙烯腈-生物炭纳米纤维薄膜。2.根据权利要求1所述的减缓水库“翻库”现象的纳米薄膜，其特征在于：所述聚丙烯腈-生物炭纳米纤维薄膜的制备方法为：S1将红杉木制得的生物炭加入碱溶液中充分搅拌混合后，将样品进行高温活化、干燥得到活化后的生物炭；S2将聚丙烯腈溶解于N,N-二甲基甲酰胺和二甲亚砜的混合溶液中，加入活化后的生物炭得到混合物，通过静电纺丝技术将所述混合物制备得聚丙烯腈-生物炭纳米纤维薄膜，烘干。3.根据权利要求2所述的减缓水库“翻库”现象的纳米薄膜，其特征在于：所述生物炭的制备方法为采用红杉木在520-530℃下热解，热解时间为2-4min；所述碱溶液为NaOH溶液，所述NaOH溶液的浓度为150-250g/L；所述高温活化的活化条件为以5~10℃/min的升温速率升温至设定温度；干燥条件为50-60℃下干燥18-24h。4.根据权利要求2所述的减缓水库“翻库”现象的纳米薄膜，其特征在于：所述N,N-二甲基甲酰胺和二甲亚砜体积比为8:1-10:1；活化的生物炭与PAN、DMF/DMSO混合物的质量比为1.5-2%；烘干条件为在50-60℃下烘干8-12h。5.根据权利要求1所述的减缓水库“翻库”现象的纳米薄膜，其特征在于：生物炭吸附层的制备方法为：将干燥的树叶放入气氛炉中，氩气氛围下以5-10℃/min的升温速率升温至800-1000℃并保温1-2h进行炭化，炭化结束...
【专利技术属性】
技术研发人员：李轶，陆宇苗，张文龙，张弛，吴海楠，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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