一种臭氧纳米气泡均匀多孔曝气材料及其制备方法技术

本发明专利技术的实施例公开了一种臭氧纳米气泡均匀多孔曝气材料及其制备方法，臭氧纳米气泡均匀多孔曝气材料包括二氧化硅多孔陶瓷；所述二氧化硅多孔陶瓷的结构采用曝气片，所述曝气片安装在曝气盘上，所述曝气片上设有曝气孔；或者，所述二氧化硅多孔陶瓷的结构采用分叉式曝气管，曝气管的主体棒上延伸出支管，所述支管上设有曝气孔。制备方法包括：将可UV光固化的打印墨水和具有二氧化硅骨架结构的溶胶混合；在常温下进行搅拌后，采用3D打印和紫外下光固化；进行冷藏和程序升温焙烧处理；进行孔道改性和表面改性。采用本发明专利技术陶瓷器件可以构建直接曝气产生臭氧纳米气泡技术，提升高级氧化工艺中臭氧利用率，降低了动力消耗和运行成本。本。本。

【技术实现步骤摘要】
一种臭氧纳米气泡均匀多孔曝气材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及臭氧氧化水处理
，能够有效提高臭氧传质效率和有机物氧化去除效率，属于环境功能新材料领域，具体涉及一种臭氧纳米气泡均匀多孔曝气材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，工业废水排放标准不断升级，现有二级生化处理工艺出水中有机物浓度难以达标，必须进行深度处理。臭氧氧化技术是目前工程上应用最广泛的废水深度处理技术，能有效的降解二级生化出水中多种难降解有机污染物和削减出水的COD值。由于臭氧微溶于水，气体与液体之间传质速率较慢，现有工艺臭氧利用率低、投加量大等问题，导致此项技术在实际应用过程中费用压力过大。其中，提高气液间臭氧传质效率对降低臭氧催化氧化成本十分重要。
[0003]与常规曝气相比，纳米气泡曝气产生的纳米气泡比表面积大、内部压力高，增加了气体传质驱动力，可大幅提高气液间传质效率。目前，在水处理实际工程应用中，纳米气泡产生方式主要为分散空气法和溶气释放气法，但通过这些方式制成的纳米气泡装置会使用较低的气液混合比(不超过10％)，如需获得足够的臭氧投加量，就要将大量的水和气体通入装置，在运行过程中会存在气体吸入量难以控制、产生气泡尺寸离散度大、废水中细微颗粒阻碍纳米气泡形成等问题，装置本身也存在能耗较高、溶气罐内各种填料易堵塞等问题，还易产生臭氧受热分解失去强氧化性的问题，因此现有技术在制备纳米气泡提升臭氧氧化效率方面效果有限。
[0004]随着多孔材料生产技术的提高，利用多孔材料形成微小气泡成为新的研究热点。若能利用多孔材料对臭氧发生器出口气体进行直接切割得到纳米气泡，则气液混合比低、臭氧受热分解等问题均不会存在。但通过多孔材料直接曝气产生纳米气泡机理复杂，根据杨
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拉普拉斯公式，当曝气压力临近泡点时，产生气泡直径小，但数量较少，继续加压气泡数量持续增加，但气泡尺寸也随之变大，在压力控制上存在一定困难。此外臭氧发生器出口压力较小，若想直接曝气产生纳米气泡，则多孔材料需要具有较高孔隙率，但孔隙率过高同时也会伴有气泡聚并的现象发生。因此，如何准确把握孔隙结构、制备出能均匀产生纳米气泡的膜材料是技术突破的关键。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术实施例的目的在于提供一种臭氧纳米气泡均匀多孔曝气材料及其制备方法，通过3D打印技术精确控制膜孔结构，结合表面改性制备孔径均匀、孔道疏水、表面亲水的无机纳滤膜，通过直接曝气产生纳米气泡，可应用于臭氧催氧化技术，大大降低运行成本。
[0006]第一方面，本专利技术实施例提供了一种臭氧纳米气泡均匀多孔曝气材料，其中，包括二氧化硅多孔陶瓷。
[0007]所述二氧化硅多孔陶瓷的结构采用曝气片，所述曝气片安装在曝气盘上，所述曝气片上设有曝气孔。
[0008]或者，所述二氧化硅多孔陶瓷的结构采用分叉式曝气管，曝气管的主体棒上延伸出支管，所述支管上设有曝气孔。
[0009]所述曝气孔的孔道内壁负载一层超疏水氟化硅纳米颗粒。
[0010]所述二氧化硅多孔陶瓷的表面负载一层超亲水纳米二氧化钛颗粒。
[0011]结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述二氧化硅多孔陶瓷的曝气孔孔径分布为10～100nm，孔隙度为50％～70％。
[0012]所述超疏水氟化硅纳米颗粒的粒径分布为10～30nm。
[0013]所述超亲水纳米二氧化钛颗粒的粒径分布为20～40nm。
[0014]其技术效果在于：该二氧化硅多孔陶瓷结构，具有均匀无缺陷的纳孔结构、孔隙率高，强度高等优点，可连接在臭氧发生器出气口，直接曝气产生臭氧纳米气泡，将气泡直径控制在微纳米级。大幅提高臭氧的气液间传质效率，并且不存在水气比低的问题，也不会产生臭氧受热分解成氧气、温度升高臭氧溶解度降低等问题。
[0015]第二方面，本专利技术实施例还提供了一种如前所述的臭氧纳米气泡均匀多孔曝气材料的制备方法，其中，包括：
[0016]将可UV光固化的打印墨水和具有二氧化硅骨架结构的溶胶按照80:20～20:80的比例混合。
[0017]在25℃常温下进行搅拌后，采用3D打印紫外光固化。
[0018]进行冷藏和程序升温焙烧处理。
[0019]进行孔道改性和表面改性。
[0020]其技术效果在于：采用自组装、3D打印和表面改性技术制备多孔曝气材料，制备工艺能够实现自动化控制，稳定性高，有利于规模化生产。
[0021]结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，
[0022]在常温下进行搅拌的时间为2～10分钟。
[0023]结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，
[0024]打印墨水的成分包括脂肪族聚氨酯丙烯酸酯、环氧脂肪族丙烯酸酯和2,4,6
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三甲基苯甲酰
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二苯基
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氧化膦，脂肪族聚氨酯丙烯酸酯、环氧脂肪族丙烯酸酯和2,4,6
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三甲基苯甲酰
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二苯基
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氧化膦以(5～10)：(5～10)：1的质量比混合，在40～60℃下恒温搅拌0.5～2h。
[0025]结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，
[0026]所述具有二氧化硅骨架结构的溶胶采用聚氧乙烯聚氧丙烯表面活性剂自组装形成中间体胶束作为模板，加入硅胶前驱体溶液在模板周围水解缩合形成。
[0027]所述硅胶前驱体溶液包括聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物溶液、的乙醇溶液和盐酸溶液，在30～40℃下快速搅拌混匀冷却到室温，加入30％～60％的正硅酸乙酯再搅拌5～30min制得。
[0028]结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第四种可能的实施方式，其中，
[0029]所述进行冷藏和程序升温焙烧处理包括：
[0030]将3D打印后的结构体放入低温冰箱中，在
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20℃～
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10℃条件下保存3天。
[0031]将其放入真空干燥箱中，在30～80下保存2～5天。
[0032]在马弗炉中烧结，烧结温度450～550℃，升温速率为1～3℃/min，保温时间3～5h。
[0033]设置升温速率为1～3℃/min下上升到650～750℃后，煅烧2h。
[0034]结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第五种可能的实施方式，其中，所述孔道改性包括：
[0035]采用氟化硅溶胶密闭浸渍。
[0036]其中，所述氟化硅溶胶采用正硅酸硅酸乙酯、无水乙醇和氨水的混合溶液配置。
[0037]结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第六种可能的实施方式，其中，
[0038]所述浸渍的度为30～70℃，浸渍时间24～48h，浸渍后的烧结温度300～800℃，升温速率为1～3℃/min，保温时间1～3h。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种臭氧纳米气泡均匀多孔曝气材料，其特征在于，包括二氧化硅多孔陶瓷；所述二氧化硅多孔陶瓷的结构采用曝气片，所述曝气片安装在曝气盘上，所述曝气片上设有曝气孔；或者，所述二氧化硅多孔陶瓷的结构采用分叉式曝气管，曝气管的主体棒上延伸出支管，所述支管上设有曝气孔；所述曝气孔的孔道内壁负载超疏水氟化硅纳米颗粒；所述二氧化硅多孔陶瓷的表面负载超亲水纳米二氧化钛颗粒。2.根据权利要求1所述的臭氧纳米气泡均匀多孔曝气材料，其特征在于，所述二氧化硅多孔陶瓷的曝气孔孔径分布为10～100nm，孔隙度为50％～70％；所述超疏水氟化硅纳米颗粒的粒径分布为10～30nm；所述超亲水纳米二氧化钛颗粒的粒径分布为20～40nm。3.一种权利要求1
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2中任一项所述的臭氧纳米气泡均匀多孔曝气材料的制备方法，其特征在于，包括：将可UV光固化的打印墨水和具有二氧化硅骨架结构的溶胶按照80:20～20:80的比例混合；在常温下进行搅拌后，采用3D打印和紫外光固化；进行冷藏和程序升温焙烧处理；进行孔道改性和表面改性。4.根据权利要求3所述的臭氧纳米气泡均匀多孔曝气材料的制备方法，其特征在于，在常温下进行搅拌的时间为2～10分钟；5.根据权利要求3所述的臭氧纳米气泡均匀多孔曝气材料的制备方法，其特征在于，打印墨水的成分包括脂肪族聚氨酯丙烯酸酯、环氧脂肪族丙烯酸酯和2,4,6
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三甲基苯甲酰
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二苯基
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氧化膦，脂肪族聚氨酯丙烯酸酯、环氧脂肪族丙烯酸酯和2,4,6
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三甲基苯甲酰
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二苯基
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氧化膦以(5～10)：(5～10)：1的质量比混合，在40～60℃下恒温...

【专利技术属性】
技术研发人员：张先，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：