CN103349919A - 一种具有自清洁功能的石墨烯-半导体粒子复合滤膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜及其制备方法和应用，属于材料制备和环境净化技术领域。本发明制得的具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜，结合了过滤和光催化技术。石墨烯或氧化石墨烯膜能够过滤截留污染物质；在该石墨烯或氧化石墨烯膜的表面进一步覆盖半导体粒子，利用光催化技术去除膜表面截留的污染物质，从而保持了滤膜的清洁度，提高了滤膜的效率。本发明制备方法简单，原料廉价易得，调节容易，有利于大规模的工业生产，具备显著的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明属于材料制备和环境治理中的过滤和光催化技术领域，具体涉及一种具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜及其制备方法和应用。
背景技术
随着人类社会工业化的不断发展，水污染是们共同面临和亟待解决的重大问题。如何有效的治理工业、生活等废水，对社会经济的发展具有广泛的意义。在污水处理的方法中，膜分离作为一种极具发展潜力的水处理技术，因其产水水质好、效率高、占地少、低能耗等优点，在污水回用处理领域具有许多无可比拟的优势。作为过滤技术应用的关键组成，滤膜的获得也因此得到了越来越广泛的关注。
石墨烯材料是目前研究的一个热点。由于其特殊的二维纳米结构，石墨烯及其衍生物能够被很好的加工组装成膜材料，并且这类膜材料在催化、传感器、太阳能电池等领域已显示了潜在的应用。最近，基于石墨烯的膜在物质的分离上也显示出一定的性能。那么，这些廉价的石墨烯膜也可以被当作滤膜，应用在污水处理上。
然而，传统的膜分离技术仅仅是单纯的污染物分离作用。随着过滤的进行，污染物会在膜上不断地富集沉积，膜污染、浓差极化等问题导致膜通量下降, 从而缩短膜的使用寿命, 成为膜分离技术应用发展的主要瓶颈。许多处理手段，如预处理、冲洗、超声、化学试剂，已开始被利用来处理膜污染。但在这些处理过程需中断工艺的运行, 不仅浪费了大量的人力, 增加了运行费用, 而且使得工艺复杂化并缩短了膜的寿命。如何及时有效地去除表面污染物，对于提高过滤膜的可持续使用具有重要的研究意义。
光催化氧化技术是一种高效、绿色和适用范围广的水污染治理技术。这些具有光催化活性的半导体粒子，如二氧化钛、氧化锌、硫化物等几乎可与任何有机物反应, 并能将其直接矿化为无机小分子。因此，将过滤分离和光催化技术进行结合，既可以利用光催化技术去除滤膜表面截留的污染物质；同时又保持了滤膜的清洁度、提高了过滤的效率。这一多技术的结合的滤膜对过滤和光催化技术的应用推广以及对废水的治理将有重大的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜及其制备方法和应用，本发明制得的具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜，结合了过滤和光催化技术，制备方法简单，原料廉价易得，调节容易，有利于大规模的工业生产，具备显著的经济和社会效益。
为实现上述目的，本发明采用技术方案：
一种石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合膜具有过滤以及光催化自清洁功能，其制备方法包括以下步骤：
（1）在过滤器中垫上滤膜，每平方米过滤面积加入含有0.08-0.8g石墨烯或者氧化石墨烯的悬浮液；
（2）在负压的条件下对石墨烯或者氧化石墨烯悬浮液进行抽滤，形成石墨烯或氧化石墨烯膜；
（3）获得石墨烯或氧化石墨烯膜后，每平方米过滤面积加入含有0.4-4.0g的P25、TiO2、ZnO、ZnS或CdS半导体粒子的悬浮液；
（4）在负压的条件下对P25、TiO2、ZnO、ZnS或CdS半导体粒子悬浮液进行抽滤，在石墨烯或者氧化石墨烯膜上形成半导体粒子膜。
所述的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜用于过滤和光降解染料有机污染物，包括以下步骤：
（1）在获得石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜后，加入有机染料废水；
（2）在负压的条件下对有机染料废水进行抽滤，同时引入外部灯源对膜进行照射。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明首次制备了具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体复合滤膜，扩大了石墨烯滤膜的应用，同时光催化技术的引入赋予了石墨烯或或氧化石墨烯滤膜的自我清洁功能，进而提高石墨烯或氧化石墨烯作为滤膜在有机污水处理时的寿命以及效率。
（2）本发明采用过滤法制备了石墨烯或氧化石墨烯过滤层以及半导体光催化剂镀层，通过简单调节石墨烯或氧化石墨烯以及半导体粒子的用量，可以调节过滤以及自清洁的效率，滤膜的制备流程简单，有利于大规模的工业生产。
（3）具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜能高效地分离并光降解母液中有机污染物，具有良好的可持续循环利用率，具有很高的实用价值和应用前景。
附图说明
图1为本发明具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜的制备流程示意图。
图2为本发明具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜过滤降解直接红染料示意图。
图3是根据实施例5具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜过滤降解直接红染料的流速和截留率随时间变化图。
具体实施方式
本发明的制备步骤如下：
第一步：在过滤器中垫上滤膜，然后每平方米过滤面积加入含有0.08-0.8g石墨烯或者氧化石墨烯的悬浮液到过滤器中；
第二步：在负压的条件下对石墨烯或者氧化石墨烯悬浮液进行抽滤，形成石墨烯或氧化石墨烯膜；
第三步：在第二步获得膜后，每平方米过滤面积加入含有0.4-4.0g的P25、TiO2、ZnO、ZnS、CdS半导体粒子的悬浮液；
第四步：在负压的条件下对P25、TiO2、ZnO、ZnS、CdS半导体粒子悬浮液进行抽滤；在石墨烯或者氧化石墨烯滤膜上形成粒子膜。
实施例1
具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜的制备
第一步：在过滤器中垫上滤膜，然后每平方米过滤面积加入含有0.08g石墨烯的悬浮液到过滤器中；
第二步：在负压的条件下对石墨烯悬浮液进行抽滤，形成石墨烯膜；
第三步：在第二步获得膜后，每平方米过滤面积加入含有4.0g的TiO2半导体粒子的悬浮液；
第四步：在负压的条件下对TiO2半导体粒子悬浮液进行抽滤；在石墨烯滤膜上形成TiO2粒子膜。
实施例2
具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜的制备
第一步：在过滤器中垫上滤膜，然后每平方米过滤面积加入含有0.4g石墨烯的悬浮液到过滤器中；
第二步：在负压的条件下对石墨烯悬浮液进行抽滤，形成石墨烯膜；
第三步：在第二步获得膜后，每平方米过滤面积加入含有4.0g的ZnO半导体粒子的悬浮液；
第四步：在负压的条件下对ZnO半导体粒子悬浮液进行抽滤；在石墨烯滤膜上形成ZnO粒子膜。
实施例3
具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜的制备
第一步：在过滤器中垫上滤膜，然后每平方米过滤面积加入含有0.8g氧化石墨烯的悬浮液到过滤器中；
第二步：在负压的条件下对氧化石墨烯悬浮液进行抽滤，形成氧化石墨烯膜；
第三步：在第二步获得膜后，每平方米过滤面积加入含有0.4 g的ZnS半导体粒子的悬浮液；
第四步：在负压的条件下对ZnS半导体粒子悬浮液进行抽滤；在氧化石墨烯滤膜上形成ZnS粒子膜。
实施例4
具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜的制备
第一步：在过滤器中垫上滤膜，然后每平方米过滤面积加入含有0.44g石墨烯的悬浮液到过滤器中；
第二步：在负压的条件下对石墨烯悬浮液进行抽滤，形成石墨烯膜；
第三步：在第二步获得膜后，每平方米过滤面积加入含有2.2g的CdS半导体粒子的悬浮液；
第四步：在负压的条件下对CdS半导体粒子悬浮液进行抽滤；在石墨烯滤膜上形成CdS粒子膜。
实施例5
具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜的直接红染料废水处理：
第一步：在过滤器中垫上滤膜，然后每平方米过滤面积加入含有0.3g氧化石墨烯悬浮液到过滤器中；
第二步：在负压的条件下对氧化石墨烯悬浮液进行抽滤，形成氧化石墨烯膜；
第三步：在第二步获得膜后，每平方米过滤面积加入含有2.2g的P25半导体粒子的悬浮液；
第四步：在负压的条件下对P25半导体粒子悬浮液进行抽滤；在氧化石墨烯滤膜上形成P25粒子膜。
第五步：在第四步获得氧化石墨烯-P25粒子复合滤膜后，加入150mL、10 ppm直接红染料废水；
第六步：在负压的条件下对染料废水进行抽滤，同时引入外部紫外灯源对膜进行照射。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (3)
1.一种具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜，其特征在于：石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合膜具有过滤以及光催化自清洁功能。
2.一种制备如权利要求1所述的具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）在过滤器中垫上滤膜，每平方米过滤面积加入含有0.08-0.8g石墨烯或者氧化石墨烯的悬浮液；
（2）在负压的条件下对石墨烯或者氧化石墨烯悬浮液进行抽滤，形成石墨烯或氧化石墨烯膜；
（3）获得石墨烯或氧化石墨烯膜后，每平方米过滤面积加入含有0.4-4.0g的P25、TiO2、ZnO、ZnS或CdS半导体粒子的悬浮液；
（4）在负压的条件下对P25、TiO2、ZnO、ZnS或CdS半导体粒子悬浮液进行抽滤，在石墨烯或者氧化石墨烯膜上形成半导体粒子膜。
3.一种如权利要求1所述的具有自清洁功能的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜的应用，其特征在于：所述的石墨烯或氧化石墨烯-半导体粒子复合滤膜用于过滤和光降解染料有机污染物。
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