CN105013448A - 一种二氧化钛/壳聚糖层层自组装复合薄膜材料的制备及应用 - Google Patents

一种二氧化钛/壳聚糖层层自组装复合薄膜材料的制备及应用 Download PDF

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Abstract

本发明一种二氧化钛/壳聚糖层层自组装复合薄膜材料的制备，利用层层自组装的方法，将天然高分子聚合物壳聚糖和具有高效光催化活性的二氧化钛有效结合起来，利用了二氧化钛的高效催化活性和壳聚糖的吸附性能；在保持复合薄膜材料表面均一性的同时，其光催化活性相比于二氧化钛有了显著提高，所制备的材料可应用于处理废水中的有机染料，且该材料能多次重复使用；本发明的复合薄膜材料原料来源丰富，价格低廉，制备方法简单，条件温和，成本较低，对于有机染料的去除效果较好，是一种简单、高效、环保的材料，有良好的应用前景。

Description

一种二氧化钛/壳聚糖层层自组装复合薄膜材料的制备及应用
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种二氧化钛/壳聚糖层层自组装复合薄膜材料的制备及应用。
背景技术
随着工业技术现代化程度的提高，人类在享受迅速发展的科技所带来的舒适与方便的同时，也承受着盲目和短视造成的生存环境不断恶化的灾难。环境污染的潜在影响严重地威胁着人类的继续繁衍和生存。污水处理和空气净化因此成为各国科研工作者重要的研究内容。如何有效地去除在工业废水中的表面活性剂、染料、重金属离子等有毒物质，大气中的有机废气和有毒气体，成为各研究领域的热门话题。
二氧化钛作为光催化剂具有高效、稳定性好、价格便宜、无毒、催化范围广、能有效去除多种有机污染物的特点，在水处理和空气净化领域具有广阔的应用前景。用作光催化剂的二氧化钛多采用悬浮相，存在易团聚和回收困难等问题，而薄膜型的二氧化钛光催化剂可克服悬浮型的许多缺点。传统意义上，薄膜型的二氧化钛与传统二氧化钛光催化剂一样，禁带宽度为3.2eV，只能吸收波长小于387nm的紫外光，限制了二氧化钛光催化反应体系在可见光区域的应用和发展。同时，利用单一的二氧化钛，光诱导产生的电荷利用效率低，也是光催化效率低的原因之一。因此，有必要开发在日光照射下能有效降解有机污染物的薄膜型二氧化钛催化剂。
壳聚糖是迄今为止发现的唯一天然碱性多糖，是由β-(1,4)-2-乙酰胺基-D-葡糖单元和β-(1,4)-2-氨基-D-葡糖单元组成的共聚物，具有良好的生物降解性和成膜性，可用作吸附剂、絮凝剂和膜分离材料，是一类有开发利用前景的新型水处理材料。
如何设计一种合理的复合材料，集二氧化钛、壳聚糖的优点于一体，利用两者之间的有效协同作用，能够对有机染料进行有效降解与吸附，这是目前亟待解决的技术课题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种二氧化钛/壳聚糖层层自组装复合薄膜材料的制备及应用，通过层层自组装的方法制备得到多层结构的复合薄膜材料，该复合薄膜能有效催化降解及吸附印染废水中染料，且吸附能力强、吸附稳定性好、重复利用率高
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种二氧化钛/壳聚糖层层自组装复合薄膜材料的制备，包括如下步骤：
步骤1，以载玻片作为组装膜材料的基体，使用前将载玻片在Piranha溶液中浸泡2～3h后，使用去离子水洗净，并保存在去离子水中待用；
步骤2，将壳聚糖分散于100mL体积分数为5％～8％的乙酸溶液中，并在常温下持续搅拌4～6h，其中壳聚糖的质量分数为3％～5％；
步骤3，将二氧化钛纳米粒子加入到100mL去离子水中，混合均匀后超声分散15～30min，形成二氧化钛乳状液，其中二氧化钛的质量分数为60％～80％；
步骤4，将步骤1的载玻片垂直放入步骤2的壳聚糖溶液中浸渍10～20min后，利用去离子水漂洗3～5min，除去表面多余的壳聚糖，再用压缩空气将膜表面吹干；
步骤5，将步骤4吹干后的载玻片垂直放入步骤3的二氧化钛溶液中浸渍15～25min后，利用去离子水漂洗3～5min，除去表面多余的二氧化钛，再用压缩空气将膜表面吹干，制得含1个双层的二氧化钛/壳聚糖复合薄膜材料；
步骤6，将所得复合薄膜材料在70℃～90℃的烘箱内干燥24～36h。
在所述步骤5之后，步骤6之前，再次重复步骤4和步骤5，直至得到含有15～20个双层的复合薄膜材料。
所述Piranha溶液的配制方法为：质量份数95％～98％的浓硫酸与质量份数0～30％的浓过氧化氢溶液按照体积比3:1混合即得。
所述二氧化钛的晶型结构为锐钛矿性，其粒径尺寸为20±2nm。
本发明所得复合薄膜材料用于可用于去除有机染料亚甲基蓝，具体地，将所述复合薄膜材料料用作光催化剂添加入含有亚甲基蓝的溶液中，添加量为每升亚甲基蓝溶液添加0.5g～1.5g，亚甲基蓝溶液的浓度为10mg/L～100mg/L，反应温度控制在25℃～35℃之间，pH控制在7±1。
与现有技术相比，本发明利用两种原料(二氧化钛、壳聚糖)的各自优点合成一种层层自组装的复合薄膜材料。制备过程简单，复合薄膜表面均一，制备过程简单，可控性强。两种原料来源丰富，价格低廉，且合成产品对环境友好，不会造成二次污染。
附图说明
图1是实施例5二氧化钛/壳聚糖的扫描电子显微镜SEM照片。
图2是实施例5二氧化钛/壳聚糖的拉曼光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
一种二氧化钛/壳聚糖复合薄膜的制备方法，包括如下步骤：
实施例1
步骤1，以尺寸为10cm×3cm(长×宽)的载玻片作为组装膜材料的基体，使用前在新配制的Piranha溶液中浸泡2h后，使用去离子水洗净，并保存在去离子水中待用；浸泡过程中，会放出大量的热和有毒气体，使用过程必须小心。
步骤2，将定量壳聚糖分散于100mL体积分数为5％的乙酸溶液中，并持续在常温下搅拌4h，保证壳聚糖的质量分数在3％；
步骤3，将载玻片垂直放入壳聚糖溶液中，浸渍10min后，利用去离子水漂洗3min，出去表面多余的壳聚糖，再用压缩空气将膜表面吹干，标记为壳聚糖；
步骤4，将自组装制备合成的样品在70℃的烘箱内干燥24h。
实施例2
步骤1，以尺寸为10cm×3cm(长×宽)的载玻片作为组装膜材料的基体，使用前在新配制的Piranha溶液中浸泡2h后，使用去离子水洗净，并保存在去离子水中待用。
步骤2，将定量壳聚糖分散于100mL体积分数为5％的乙酸溶液中，并持续在常温下搅拌4h，保证壳聚糖的质量分数在3％；
步骤3，将定量的平均粒径小于20nm的二氧化钛粒子加入到100mL去离子水中，混合均匀后超声分散15min，形成二氧化钛乳状液，保证二氧化钛的质量分数在70％；
步骤4，将载玻片垂直放入壳聚糖溶液中，浸渍10min后，利用去离子水漂洗3min，出去表面多余的壳聚糖，再用压缩空气将膜表面吹干；
步骤5，将将载玻片垂直放入二氧化钛溶液中，浸渍15min后，利用去离子水漂洗3min，出去表面多余的二氧化钛，再用压缩空气将膜表面吹干。制得含1个双层的二氧化钛/壳聚糖复合薄膜材料，标记为(二氧化钛/壳聚糖)1。
步骤6，将自组装制备合成的样品在70℃的烘箱内干燥24h。
实施例3
步骤1，以尺寸为10cm×3cm(长×宽)的载玻片作为组装膜材料的基体，使用前在新配制的Piranha溶液中浸泡2h后，使用去离子水洗净，并保存在去离子水中待用；
步骤2，将定量壳聚糖分散于100mL体积分数为5％的乙酸溶液中，并持续在常温下搅拌4h，保证壳聚糖的质量分数在3％；
步骤3，将定量的平均粒径小于20nm的二氧化钛粒子加入到100mL去离子水中，混合均匀后超声分散15min，形成二氧化钛乳状液，保证二氧化钛的质量分数在70％；
步骤4，将载玻片垂直放入壳聚糖溶液中，浸渍10min后，利用去离子水漂洗3min，出去表面多余的壳聚糖，再用压缩空气将膜表面吹干；
步骤5，将将载玻片垂直放入二氧化钛溶液中，浸渍15min后，利用去离子水漂洗3min，出去表面多余的二氧化钛，再用压缩空气将膜表面吹干；
步骤6，将载玻片垂直放入壳聚糖溶液中，浸渍10min后，利用去离子水漂洗3min，出去表面多余的壳聚糖，再用压缩空气将膜表面吹干，标记为(二氧化钛/壳聚糖)1.5；
步骤7，将自组装制备合成的样品在70℃的烘箱内干燥24h。
实施例4
步骤1，以尺寸为10cm×3cm(长×宽)的载玻片作为组装膜材料的基体，使用前在新配制的Piranha溶液中浸泡2h后，使用去离子水洗净，并保存在去离子水中待用；
步骤2，将定量壳聚糖分散于100mL体积分数为5％的乙酸溶液中，并持续在常温下搅拌4h，保证壳聚糖的质量分数在3％；
步骤3，将定量的平均粒径小于20nm的二氧化钛粒子加入到100mL去离子水中，混合均匀后超声分散15min，形成二氧化钛乳状液，保证二氧化钛的质量分数在70％；
步骤4，将载玻片垂直放入壳聚糖溶液中，浸渍10min后，利用去离子水漂洗3min，出去表面多余的壳聚糖，再用压缩空气将膜表面吹干；
步骤5，将将载玻片垂直放入二氧化钛溶液中，浸渍15min后，利用去离子水漂洗3min，出去表面多余的二氧化钛，再用压缩空气将膜表面吹干，标记为(二氧化钛/壳聚糖)2；
步骤6，将自组装制备合成的样品在70℃的烘箱内干燥24h。
实施例5
步骤1，以尺寸为10cm×3cm(长×宽)的载玻片作为组装膜材料的基体，使用前在新配制的Piranha溶液中浸泡2h后，使用去离子水洗净，并保存在去离子水中待用；
步骤2，将定量壳聚糖分散于100mL体积分数为5％的乙酸溶液中，并持续在常温下搅拌4h，保证壳聚糖的质量分数在3％；
步骤3，将定量的平均粒径小于20nm的二氧化钛粒子加入到100mL去离子水中，混合均匀后超声分散15min，形成二氧化钛乳状液，保证二氧化钛的质量分数在70％；
步骤4，将载玻片垂直放入壳聚糖溶液中，浸渍10min后，利用去离子水漂洗3min，出去表面多余的壳聚糖，再用压缩空气将膜表面吹干；
步骤5，将将载玻片垂直放入二氧化钛溶液中，浸渍15min后，利用去离子水漂洗3min，出去表面多余的二氧化钛，再用压缩空气将膜表面吹干。在化学作用力下，可以在基体表面上发生层层自组装形成均匀的复合薄膜，制得含1个双层的二氧化钛/壳聚糖复合薄膜材料。如此反复，直到含有15个双层的复合薄膜材料，最终实现二氧化钛/壳聚糖复合薄膜材料的自组装制备，标记为(二氧化钛/壳聚糖)15；
步骤6，将自组装制备合成的样品在70℃的烘箱内干燥24h。
实施例6
复合薄膜材料降解吸附性能的测定。
以本发明的复合薄膜材料对亚甲基蓝溶液进行去除实验。取100mL初始浓度为10mg/L亚甲基蓝溶液，温度为25℃，pH为7时，0.5g复合薄膜材料对亚甲基蓝的降解率达到了98％以上。在没有光催化的时候，0.5g复合薄膜材料对亚甲基蓝的吸附量为8.3mg/g。
图1为导二氧化钛/壳聚糖的扫描电子显微镜SEM照片，薄膜层数为15层。从图中可以看出二氧化钛和壳聚糖均匀地覆盖在基体表面，且层与层之间存在明显分界。说明利用层层自组装的方法，通过二氧化钛和壳聚糖的协同作用可以构筑稳定的结构体系，且表面十分均匀。
图2为二氧化钛/壳聚糖的拉曼光谱图。从图中可知，壳聚糖在600cm-1和1100cm-1出现了特征拉曼峰，表明壳聚糖已经均匀地组装在载玻片表面；(二氧化钛/壳聚糖)1在147cm-1出现的拉曼峰，为对称类型的O-Ti-O变角振动峰，表明所引入的二氧化钛为锐钛矿晶型。(二氧化钛/壳聚糖)1.5依然存在壳聚糖的特征拉曼峰，同时，二氧化钛的拉曼峰消失，这表明通过层层自组装方法，壳聚糖和二氧化钛可以形成复合薄膜材料。

Claims (6)

1.一种二氧化钛/壳聚糖层层自组装复合薄膜材料的制备，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，以载玻片作为组装膜材料的基体，使用前将载玻片在Piranha溶液中浸泡2～3h后，使用去离子水洗净，并保存在去离子水中待用；
步骤2，将壳聚糖分散于100mL体积分数为5％～8％的乙酸溶液中，并在常温下持续搅拌4～6h，其中壳聚糖的质量分数为3％～5％；
步骤3，将二氧化钛纳米粒子加入到100mL去离子水中，混合均匀后超声分散15～30min，形成二氧化钛乳状液，其中二氧化钛的质量分数为60％～80％；
步骤4，将步骤1的载玻片垂直放入步骤2的壳聚糖溶液中浸渍10～20min后，利用去离子水漂洗3～5min，除去表面多余的壳聚糖，再用压缩空气将膜表面吹干；
步骤5，将步骤4吹干后的载玻片垂直放入步骤3的二氧化钛溶液中浸渍15～25min后，利用去离子水漂洗3～5min，除去表面多余的二氧化钛，再用压缩空气将膜表面吹干，制得含1个双层的二氧化钛/壳聚糖复合薄膜材料；
步骤6，将所得复合薄膜材料在70℃～90℃的烘箱内干燥24～36h。
2.根据权利要求1所述二氧化钛/壳聚糖层层自组装复合薄膜材料的制备，其特征在于，在所述步骤5之后，步骤6之前，再次重复步骤4和步骤5，直至得到含有15～20个双层的复合薄膜材料。
3.根据权利要求1所述二氧化钛/壳聚糖层层自组装复合薄膜材料的制备，其特征在于，所述Piranha溶液的配制方法为：质量份数95％～98％的浓硫酸与质量份数0～30％的浓过氧化氢溶液按照体积比3:1混合即得。
4.根据权利要求1所述二氧化钛/壳聚糖层层自组装复合薄膜材料的制备，其特征在于，所述二氧化钛的晶型结构为锐钛矿性，其粒径尺寸为20±2nm。
5.权利要求1所得复合薄膜材料用于去除有机染料亚甲基蓝的应用。
6.根据权利要求5所述应用，其特征在于，将所述复合薄膜材料料用作光催化剂添加入含有亚甲基蓝的溶液中，添加量为每升亚甲基蓝溶液添加0.5g～1.5g，亚甲基蓝溶液的浓度为10mg/L～100mg/L，反应温度控制在25℃～35℃之间，pH控制在7±1。
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