【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水净化，具体涉及一种水蒸发-光催化双功能木基复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、淡水稀缺正在成为人类社会可持续发展的威胁，太阳能水蒸发可以在不消耗化石能源的情况下以廉价的成本获得纯净的水，被认为有望缓解全球水污染和短缺问题。太阳能界面蒸发由于出色的光热管理，可以在空气/水界面处将太阳能转换成热能用于水的蒸发。太阳能驱动的界面蒸发过程可以高效地从包括河流、湖泊、海洋甚至工业废水在内的各种水源中产生清洁水。界面蒸发系统可以排斥各种离子、有机物和细菌，因为水的液相-气相转化可以有效地从其他污染物中提取水，所以产生的清洁水质量高。然而，如果水源被不可生物降解和有毒的有机化合物污染，如药品，水蒸发后的残留污染物将对环境造成二次危害，需要进一步处理。
2、基于半导体的高级氧化法是具有成本低、能源清洁、二次污染小等优点的催化技术。将界面太阳能蒸汽产生与高级氧化过相结合可以实现淡水生产和污染修复的同步进行。然而，开发协同光热-aop催化性能良好集成的双功能蒸发器仍然具有挑战性。
3、针对上述问题，本专利技术提出将催化传质路径与蒸发传水路径相结合，开发了一种基于水蒸发-光催化双功能木基复合材料的三维蒸发器。三维结构设计可以扩大总蒸发表面积，从环境中收获额外的能量以提升蒸发速率，其中碳纳米管涂层在木材顶面上以增强光吸收，mno2颗粒用来降解污染物。碳纳米管和mno2复合材料作为界面水蒸发的光热转换材料，侧壁的mno2则用于催化降解传质和蒸发供水，而充满空气的木材通道是隔热的，用于将产生的热量定位在蒸发界
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种水蒸发-光催化双功能木基复合材料及其制备方法和应用，将催化传质路径与蒸发传水路径相结合解决三维蒸发器中界面水蒸发与光催化难以结合的问题，本专利技术的水蒸发-光催化双功能木基复合材料在水蒸发和污染物降解中的广泛应用，也为处理大范围的水体提供技术支持。
2、为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种水蒸发-光催化双功能木基复合材料，以木头为基底，mno2纳米颗粒均匀地负载在材料表面。
3、在本专利技术的优选的实施方式中，所述的木基复合材料中的mno2颗粒为纳米花结构，mno2纳米花的尺寸优选为100-200nm。纳米花结构具有大的比表面积，可以提供更多的活性位点和有效的污染物运输，具有高的催化活性。
4、本专利技术还保护所述的水蒸发-光催化双功能木基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
5、(1)木头基底的预处理：将木头沿生长方向切成木条，然后将木条截成木块，将木块表面清洗干净，晾干备用；
6、(2)将木块单面浸渍碳纳米管分散液，吸附处理，晾干；该步骤用于太阳能蒸汽产生，然后干燥用于原位生长mno2；
7、(3)将经过步骤(2)处理的木块依次浸泡在高锰酸钾溶液和硫酸锰溶液中反应，用于在材料表面生长mno2颗粒，反应结束后用水清洗，晾干，得到水蒸发-光催化双功能木基复合材料。此时，kmno4被mnso4还原，mno2纳米颗粒均匀地负载在材料表面，mno2的量很容易受到kmno4浸渍时间的控制，随着浸渍时间的增加，木材的颜色逐渐从白色变为深棕色或黑色，但内部仍然是白色。
8、在本专利技术的优选的实施方式中，所述木头优选为巴沙木，所述木条尺寸优选为2*2cm，所述木条截成木块的长度优选为2～8厘米；所述吸附处理为将木块浸渍于碳纳米管分散液中处理30～60s；优选的，将木块浸渍于5ml的碳纳米管分散液置于底面直径为5cm的圆形容器中处理30～60s。
9、在本专利技术的优选的实施方式中，，所述碳纳米管分散液为羧基化的碳纳米管水分散液，其质量浓度<1wt.％，优选为0.15wt.％；所述高锰酸钾溶液与硫酸锰溶液的摩尔浓度比为1：1；所述的摩尔浓度为0.5～1.5m，优选为1m；所述在高锰酸钾溶液中的吸附反应时间为0～40分钟，优选为20分钟；所述在硫酸锰溶液中的反应时间为5～10分钟；所述反应为室温下溶液中的反应，所述晾干为室温下自然干燥除去水分。
10、本专利技术还保护所述的水蒸发-光催化双功能木基复合材料的应用，具体为一种具有界面太阳能加热、高效的水运输和高催化活性的“一体化”功能的基于水蒸发-光催化双功能木基复合材料的三维蒸发器，将所述的水蒸发-光催化双功能木基复合材料置于中间留有通孔的方形塑料隔热板中，通孔内尺寸于材料外尺寸一致，并将其放在装有液体的方形容器中，木基复合材料与液体直接接触，方形塑料隔热板大小与方形容器内尺寸一致，容器内液体的体积等于容器容积减去容器内材料的体积，蒸发器相对于隔热板的位置为板上高度1～3cm，板下高度1～5cm。隔热板的作用为避免木基复合材料以外的水的蒸发造成蒸发速率偏高。使用氙灯(am 1.5g)产生的模拟太阳光作为光源向下照射，用光功率计标定一个太阳光光强。
11、在本专利技术的优选的实施方式中，所述方形塑料隔热板的通孔尺寸优选为2*2cm，所述方形塑料隔热板大小优选为4*4cm，所述方形容器内尺寸优选为4*4*5cm，所述容器内液体体积优选为60～76ml，所述液体为纯水、亚甲基蓝溶液或四环素溶液。
12、在本专利技术的优选的实施方式中，蒸发器相对于隔热板的位置为板上高度3cm，板下高度5cm。
13、本专利技术的蒸发器具有碳纳米管涂层，并在室温下原位负载mno2纳米颗粒，以实现界面蒸发和有机物降解，具有利用光热和光化学能同时进行水蒸发和光催化的优势。
14、相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：
15、1、本专利技术通过将催化传质路径与蒸发传水路径相结合制备了三维太阳能界面蒸发器，使用来源广泛成本低廉的木材作为基底，通过浸渍涂敷碳纳米管涂层，在材料表面可控生长二氧化锰颗粒制备了水蒸发-光催化双功能木基复合材料，可以用于水蒸发和同时降解水中的污染物。所述木基复合材料用于水净化领域，净化效果好。
16、2、本专利技术突破了现有水蒸发光催化体系中二维蒸发器的限制，使用三维蒸发器实现水蒸发速率和光催化速率的提升。
17、3、本专利技术为了实现太阳能界面蒸发技术与高级氧化过程相结合，将蒸发过程的传水路径与催化过程中的传质路径相结合，为了实现太阳光谱利用率，将黑色的碳材料与金属氧化物颗粒相结合，取得了很好的综合效果。
18、4、本专利技术中水蒸发-光催化双功能木基复合材料的制备过程不涉及高温、高压的反应，反应温和，直接将木材在室温下与溶液进行反应，简化了太阳能光热复合材料的制备过程，产品更加易得，适合广泛应用。
19、5、本专利技术对制备的水蒸发-光催化双功能木基复合材料进行在水蒸发和光催化方面的应用效果进行考察，通过监测四环素水溶液的质量变化和不同时长下溶液中四环素的浓度变化，实现了高蒸发速率下溶液中四环素的同步降解，避免了水蒸发后残留污染物对环境的危害。
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1.一种水蒸发-光催化双功能木基复合材料，其特征在于，以木头为基底，MnO2纳米颗粒均匀地负载在材料表面。
2.根据权利要求1所述的水蒸发-光催化双功能木基复合材料，其特征在于，(1)所述的木基复合材料中的MnO2颗粒为纳米花结构，MnO2纳米花的尺寸优选为100-200nm，(2)所述的木基复合材料中的MnO2颗粒可以通过控制在高锰酸钾溶液中的反应时长实现晶体生长数量的控制，时长优选为20min。
3.根据权利要求1或2所述的水蒸发-光催化双功能木基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述木头优选为巴沙木，所述木条尺寸优选为2*2cm，所述木条截成木块的长度优选为2～8厘米；所述吸附处理为将木块浸渍于碳纳米管分散液中处理30～60s；优选的，将木块浸渍于5mL的碳纳米管分散液置于底面直径为5cm的圆形容器中处理30～60s。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管分散液为羧基化的碳纳米管水分散液，其质量浓度<1wt.％，优选为0.15wt.％；所述
6.一种基于水蒸发-光催化双功能木基复合材料的三维蒸发器，其特征在于，将权利要求1或2所述的水蒸发-光催化双功能木基复合材料置于中间留有通孔的方形塑料隔热板中，通孔内尺寸与材料外尺寸一致，并将其放在装有液体的方形容器中，木基复合材料与液体直接接触，方形塑料隔热板外尺寸与方形容器内尺寸一致，容器内液体的体积等于容器容积减去容器内材料的体积，蒸发器相对于隔热板的位置为板上高度1～3cm，板下高度1～5cm。
7.一种基于水蒸发-光催化双功能木基复合材料的三维蒸发器，其特征在于，将权利要求3-5中任一项所述的水蒸发-光催化双功能木基复合材料置于中间留有通孔的方形塑料隔热板中，通孔内尺寸与材料外尺寸一致，并将其放在装有液体的方形容器中，木基复合材料与液体直接接触，方形塑料隔热板外尺寸与方形容器内尺寸一致，容器内液体的体积等于容器容积减去容器内材料的体积，蒸发器相对于隔热板的位置为板上高度1～3cm，板下高度1～5cm。
8.根据权利要求6或7所述的三维蒸发器，其特征在于，所述方形塑料隔热板的通孔尺寸优选为2*2cm，所述方形塑料隔热板外尺寸优选为4*4cm，所述方形容器内尺寸优选为4*4*5cm，所述容器内液体体积优选为60～76mL，所述液体为纯水、亚甲基蓝溶液或四环素溶液。
9.根据权利要求6或7所述的三维蒸发器，其特征在于，蒸发器通过将催化传质路径与蒸发传水路径相结合实现太阳能界面蒸发技术与高级氧化过程相结合，蒸发器相对于隔热板的位置为板上高度3cm，板下高度5cm。
...【技术特征摘要】
1.一种水蒸发-光催化双功能木基复合材料，其特征在于，以木头为基底，mno2纳米颗粒均匀地负载在材料表面。
2.根据权利要求1所述的水蒸发-光催化双功能木基复合材料，其特征在于，(1)所述的木基复合材料中的mno2颗粒为纳米花结构，mno2纳米花的尺寸优选为100-200nm，(2)所述的木基复合材料中的mno2颗粒可以通过控制在高锰酸钾溶液中的反应时长实现晶体生长数量的控制，时长优选为20min。
3.根据权利要求1或2所述的水蒸发-光催化双功能木基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述木头优选为巴沙木，所述木条尺寸优选为2*2cm，所述木条截成木块的长度优选为2～8厘米；所述吸附处理为将木块浸渍于碳纳米管分散液中处理30～60s；优选的，将木块浸渍于5ml的碳纳米管分散液置于底面直径为5cm的圆形容器中处理30～60s。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管分散液为羧基化的碳纳米管水分散液，其质量浓度<1wt.％，优选为0.15wt.％；所述高锰酸钾溶液与硫酸锰溶液的摩尔浓度比为1：1；所述的摩尔浓度为0.5～1.5m，优选为1m；所述在高锰酸钾溶液中的吸附反应时间为0～40分钟，优选为20分钟；所述在硫酸锰溶液中的反应时间为5～10分钟；所述反应为室温下溶液中的反应，所述晾干为室温下自然干燥除去水分。
6.一种基于水蒸发-光催...
【专利技术属性】
技术研发人员：李晓锋，张婷婷，高福临，潘瑞杰，曲晋，于中振，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：
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