一种多层复合功能材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种多层复合功能材料，所述功能材料由下而上依次为基材层、日光反射层、光催化层、生物耦合净化层和自清洁保护层；所述日光反射层由云母改性硅溶胶制得；所述光催化层由稀土共掺杂石墨烯的光催化纳米凝胶制得；所述生物耦合净化层含有微量元素生物激活因子；所述自清洁保护层含有乙基纤维素。本发明专利技术解决传统光催化材料目前相对欠缺的效率不够高、寿命不够长、不抗污染、光照要求高(无法昼夜正常使用、相对遮光场所难以应用)等难题，以适应于水系等复杂水体净化的实际工程需要。

【技术实现步骤摘要】
一种多层复合功能材料及其制备方法与应用
本专利技术涉及环境净化领域，尤其是涉及一种用于水质或土壤净化的复合多层结构光催化耦合生物净化新型环境功能材料。
技术介绍
纳米二氧化钛光催化氧化法是一种新兴的水污染治理技术。它可以有效处理水中的有机物，并能杀灭水中有害微生物，由于该技术的特点是可以利用太阳光，降解速度快，氧化条件温和，无二次污染，应用范围广且二氧化钛化学活性高，安全无毒，价格低廉，因此也被称作绿色环保的水处理技术。光催化降解环境污染物仍是一项需不断完善和发展的技术，目前国内外在TiO2改性处理方面采取了贵金属沉积、半导体复合、离子掺杂、光敏化和表面还原处理等措施，同时在光催化与其他技术耦合方面，则采取超声耦合光催化、热催化耦合光催化、光催化与电催化耦合等。虽然上述光催化改进取得了积极成果，有些改进后的材料在实验室内测试数据非常好，但在大型水系治理工程项目实践中，应用效果却不尽理想，主要原因为水系情况较为复杂，很难满足实验室的边界条件，如：实验室要求材料表面距离水面尽可能接近以利于光线照射，同时要求材料表面需频繁清理维护，以免影响光照效果，这些在实际项目中往往很难完全做到。为了进一步贴近实际工程需要，必须持续完善光催化材料的结构设计，一方面必须最大化极致性提升在光吸收效果、光催化效率和表面自清洁方面的能力，另一方面借助外力，有效发挥大自然自身的优势，进行光催化和其他自然净化技术的耦合，才能降低该技术的使用边界条件，降低其维护要求，使得这项技术能够在水系治理中发挥实际效益，真正意义实现“以大自然的力量净化大自然”，修复环境，造福社会。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术申请人提供了一种多层复合功能材料及其制备方法与应用。本专利技术解决传统光催化材料目前相对欠缺的效率不够高、寿命不够长、不抗污染、光照要求高(无法昼夜正常使用、相对遮光场所难以应用)等难题，以适应于水系等复杂水体净化的实际工程需要。本专利技术的技术方案如下：一种多层复合功能材料，所述功能材料由下而上依次为基材层、日光反射层、光催化层、生物耦合净化层和自清洁保护层；所述日光反射层由云母改性硅溶胶制得；所述光催化层由稀土共掺杂石墨烯的光催化纳米凝胶制得；所述生物耦合净化层含有微量元素生物激活因子；所述自清洁保护层含有乙基纤维素。优选方案，所述云母改性硅溶胶的制备原料包括纳米二氧化硅乙醇分散液和云母晶；云母晶、纳米二氧化硅乙醇分散液的质量体积比为1～5kg:160～200L；纳米二氧化硅乙醇分散液中纳米二氧化硅的质量浓度为2～5％。所述云母改性硅溶胶的制备方法为：向纳米二氧化硅乙醇分散液中添加纳米云母晶，然后高速搅拌、超声分散均匀。所述光催化层的制备方法为：(1)将乙醇、钛酸四丁酯和乙酰丙酮倒入烧杯中，搅拌形成溶液A；(2)将乙醇、去离子水和盐酸混合形成溶液B；溶液B的pH为0.5～1；(3)将步骤(2)制得的溶液B滴入步骤(1)制得的溶液A中形成淡黄色前驱体溶液；(4)将稀土离子源加入步骤(3)所得的前驱体溶液中并搅拌至完全溶解，形成溶液C；所述稀土离子源为Er盐和Yb盐；(5)将步骤(4)所得溶液C在50～70℃下加热搅拌，同时逐滴加入去离子水，搅拌直至形成凝胶D；(6)在步骤(5)所得凝胶D中加入石墨烯，经超声处理20～40min得到稀土元素共掺杂石墨烯光催化纳米凝胶。步骤(1)中所述乙醇、钛酸四丁酯和乙酰丙酮的体积比为(25～30):(15～20):(1～2)；步骤(2)中所述乙醇、去离子水和盐酸的体积比为(68～72):(16～21):(0.3～0.5)；步骤(4)中所述Er盐与Yb盐的质量比为(2～2.5):(10～12)；步骤(5)中所述溶液C与去离子水的体积比为(4～8):1；步骤(6)中所述石墨烯与凝胶D的质量比为(0.001～0.1)‰，所采用石墨烯的电导率为100000～200000s/m；所述Er盐为Er(NO3)3·5H2O或Er2(SO4)3·8H2O；所述Yb盐为Yb(NO3)3·5H2O或Yb2(SO4)3·8H2O。所述生物耦合净化层由微量元素生物激活因子溶液制得，首先用稀醋酸溶液配制壳聚糖溶液，将诺维信生物公司BGMAX-3050生物增效产品分散混合于壳聚糖溶液中；所述BGMAX-3050生物增效产品与壳聚糖溶液的体积比为(30～50)L:(160～200)L，所述微量元素生物激活因子溶液的有效浓度为2000～3000PPM。所述自清洁保护层的制备方法为：将乙基纤维素溶解于乙醇溶液中，同时加入生物固化剂，充分搅拌均匀；所述乙基纤维素、生物固化剂与乙醇的体积比为(5～15)kg:(5～10)kg:(160～200)L。所述基材层为无纺布；所述无纺布的材料为天然纤维、涤纶、腈纶、锦纶、丙纶、氨纶、尼龙中的一种或多种；优选竹纤维无纺布。所述功能材料的厚度0.25±0.05mm，所述功能材料的面密度为70±10g/m2。一种所述多层复合功能材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：采用浸渍方法对基材进行涂覆负载：分别将云母改性硅溶胶、稀土共掺杂石墨烯的光催化纳米凝胶、微量元素生物激活因子溶液、乙基纤维素混合醇溶液先后涂覆在基材上，每组浆料的涂覆次数为1～2次，每次涂覆烘干后再涂覆外面一层，依次涂覆烘干；每次烘干温度在50～80℃。一种所述多层复合功能材料的应用，应用于水质、土壤净化。本专利技术有益的技术效果在于：(1)本专利技术基材更优化合理，基材不易被污染，生产效率高，容易被生物降解。而传统光催化材料的基材一般选择表面积大、柔韧性好的纤维织物，表面积大其吸附力也强，容易使材料内部受到污染难以清洁而致影响材料寿命，柔韧性好则在拉伸中有很大的延展性，不利于自动化流水线生产。(2)本专利技术光吸收更充分，与传统光催化材料相比，增加了日光反射层，采用超细云母粉的层状二维结构材料进行杂化，云母材料会从各个角度将光线反射至量子光催化层，最大化提高了对光的利用率。(3)本专利技术光催化效率更高，能够达到日光/近红外光响应，独特的(石墨烯、Er、Yb三元素共掺杂)量子光催化层，利用高导电率物理法石墨烯，采用上转换稀土离子掺杂TIO2，由于石墨烯的增强导电性作用以及稀土元素具有丰富的能级和4f电子的跃迁特性，可以将近红外光转换为可以被光催化材料吸收的可见光。传统可见光光催化材料一般采用单元素掺杂，或者使用导电率不高的氧化石墨烯与单元素掺杂，难以达到最佳日光/近红外响应的光催化效果。(4)本专利技术耦合生物技术，利用微量添加生物激活因子材料，利用其生物激活作用，增加水体中有益微生物，通过微生物生物净化的间接作用，实现更好环境净化效果，尤其在夜间和光线极弱时，光催化耦合生物净化环境工程材料仍然能够发挥近红外光催化和生物净化的双重作用。(5)本专利技术增加了膜体自洁功能，利用纤维素纳米纤维添加后的表面粗糙度降低和负电荷作用，增强膜体表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多层复合功能材料，其特征在于，所述功能材料由下而上依次为基材层、日光反射层、光催化层、生物耦合净化层和自清洁保护层；/n所述日光反射层由云母改性硅溶胶制得；/n所述光催化层由稀土共掺杂石墨烯的光催化纳米凝胶制得；/n所述生物耦合净化层含有微量元素生物激活因子；/n所述自清洁保护层含有乙基纤维素。/n

【技术特征摘要】
1.一种多层复合功能材料，其特征在于，所述功能材料由下而上依次为基材层、日光反射层、光催化层、生物耦合净化层和自清洁保护层；
所述日光反射层由云母改性硅溶胶制得；
所述光催化层由稀土共掺杂石墨烯的光催化纳米凝胶制得；
所述生物耦合净化层含有微量元素生物激活因子；
所述自清洁保护层含有乙基纤维素。


2.根据权利要求1所述的多层复合功能材料，其特征在于，所述云母改性硅溶胶的制备原料包括纳米二氧化硅乙醇分散液和云母晶；云母晶、纳米二氧化硅乙醇分散液的质量体积比为1～5kg:160～200L；纳米二氧化硅乙醇分散液中纳米二氧化硅的质量浓度为2～5％。


3.根据权利要求2所述的多层复合功能材料，其特征在于，所述云母改性硅溶胶的制备方法为：
向纳米二氧化硅乙醇分散液中添加纳米云母晶，然后高速搅拌、超声分散均匀。


4.根据权利要求1所述的多层复合功能材料，其特征在于，所述光催化层的制备方法为：
(1)将乙醇、钛酸四丁酯和乙酰丙酮倒入烧杯中，搅拌形成溶液A；
(2)将乙醇、去离子水和盐酸混合形成溶液B；溶液B的pH为0.5～1；
(3)将步骤(2)制得的溶液B滴入步骤(1)制得的溶液A中形成淡黄色前驱体溶液；
(4)将稀土离子源加入步骤(3)所得的前驱体溶液中并搅拌至完全溶解，形成溶液C；所述稀土离子源为Er盐和Yb盐；
(5)将步骤(4)所得溶液C在50～70℃下加热搅拌，同时逐滴加入去离子水，搅拌直至形成凝胶D；
(6)在步骤(5)所得凝胶D中加入石墨烯，经超声处理20～40min得到稀土元素共掺杂石墨烯光催化纳米凝胶。


5.根据权利要求4所述的多层复合功能材料，其特征在于，步骤(1)中所述乙醇、钛酸四丁酯和乙酰丙酮的体积比为(25～30):(15～20):(1～2)；步骤(2)中所述乙醇、去离子水和盐酸的体积比为(68～72):(16～21):(0.3～0.5)；步骤(4)中所述Er盐与Yb盐的质量比为(2～...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭成钢，
申请(专利权)人：无锡阿尔美环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32