CN106669431A - 一种具有同时催化与膜分离功能的二氧化钛纳米线超滤膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种膜材料制备技术领域的方法，本发明的目的在于提高TiO2的催化性能并解决其分离及回收的问题。本发明是通过以下技术方案实现的，具体包括如下步骤：(1)在聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内注入一定浓度的NaOH溶液，加入一定比例TiO2粉末，超声使其分散均匀，然后密封，水热反应一定时间，冷却后可得TiO2纳米线；(2)过滤富集TiO2纳米线并用去离子水和稀盐酸洗涤，在玻璃滤膜上真空抽滤，形成半成品TiO2纳米线膜，然后用去离子水反复淋洗，室温阴干，成为自支撑的TiO2纳米线膜；(3)以一定的升温梯度，在设定温度下焙烧一定时间，制备成具有同时催化与分离功能的TiO2纳米线超滤膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种膜材料制备技术领域的方法，具体是以纳米TiO2颗粒为基材在碱性条件下通过水热反应模式生长纳米线，然后富集成膜，高温煅烧热处理后制取TiO2纳米线超滤膜。
背景技术
二氧化钛(TiO2)作为催化剂在实际应用中要解决自身的分离及回收问题。为了提高二氧化钛(TiO2)的催化性能并同时解决其分离及回收的问题，许多发明人尝试在载体膜上涂上一层TiO2薄膜，形成复合的纳米二氧化钛(TiO2)膜过滤装置，但研究发现其催化氧化效果不如悬浮态的纳米二氧化钛(TiO2)。
近年来研究表明，通过一些物理及化学的方法，合成了各种各样的一维(1D)纳米TiO2，如纳米线、纳米纤维、纳米杆、纳米管。这些方法之中，水热法显然具有应用广泛，易于操作的优点。典型的TiO2纳米线由粉末状的纳米TiO2与NaOH碱溶液在高温高压的反应釜中反应中合成，反应机理是Ti-O-Ti共价键通过水热反应被断开，Ti-O-Na与Ti-OH键形成，通过酸洗、煅烧，最终生成了TiO2纳米线。TiO2纳米线具有巨大的比表面积及良好的催化性能。最近也有学者尝试二维(2D)及三维(3D)的TiO2纳米线、纳米纤维、纳米管的研究，这些纳米级的TiO2膜合成物均表现出良好的催化性能。
本发明采用纳米级二氧化钛(TiO2)粉末作为膜制备的主要材料，通过物化方法直接制备成催化纳米TiO2超滤膜。催化纳米TiO2超滤膜无需催化剂的分离与回收，同时能够实现膜分离及催化降解的效果。同时纳米TiO2超滤膜与紫外或臭氧联用后具有(1)同时实现膜的过滤分离及催化降解有机污染物的特点；(2)由于有机污染物被催化降解，解决了膜污染的缺点；(3)由于纳米TiO2自我生成膜组件，无需对TiO2进行分离和回收，而且TiO2膜在水中物理化学稳定，无毒；(4)TiO2纳米线膜易于制作成各种各样膜过滤(或管式或板式)装置组件，实现在水处理中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提高二氧化钛(TiO2)的催化性能并同时解决其分离及回收的问题，以纳米TiO2为基材在碱性条件下通过水热反应模式生长纳米线，然后富集成膜，通过酸洗后高温煅烧热处理后制取TiO2纳米线超滤膜。制备过程中可以以膜的选择性、除污染能力和材料机械强度等为主要评价指标，优化TiO2纳米线超滤膜制膜条件。
本发明是通过以下技术方案实现的，具体包括如下步骤：
(1)在聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内注入事先配好的一定浓度的NaOH溶液，接着加入一定比例TiO2纳米粉末，超声震荡一定时间使TiO2粉末分散均匀，然后密封，在一定的炉温中水热反应一定时间，冷却后，可制得白色悬浮液，内含自生长的TiO2纳米线；
(2)过滤富集TiO2纳米线后用去离子水和一定浓度的稀盐酸，反复洗涤。然后使TiO2纳米线再悬浮水中，并加入表面活性剂，将该悬浮液用玻璃滤膜真空抽滤，在玻璃滤膜上就形成半成品TiO2纳米线膜，然后用去离子水反复淋洗，排清表面活性剂后在室温下阴干，移走玻璃滤膜，成为自支撑的TiO2纳米线膜；
(3)以一定的升温梯度，在设定温度下马弗炉中持续焙烧一定时间，制备成具有同时催化与分离功能的TiO2纳米线超滤膜。
具体实施方式
以下对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
以纳米TiO2为基材在碱性条件下通过水热反应模式生长纳米线，然后富集成膜，通过酸洗后高温煅烧热处理后制取TiO2纳米线超滤膜。具体包括如下步骤：
(1)在50mL的高压反应釜内注入事先配好的30ml 10M NaOH溶液，接着加入0.2gTiO2纳米粉末(P25,Degussa)，超声震荡1h使TiO2粉末分散均匀，然后密封，在180℃的炉温中水热反应48小时，冷却后，可制得白色悬浮液，内含自生长的TiO2纳米线；
(2)过滤富集TiO2纳米线后用去离子水和稀盐酸(pH2)反复洗涤。然后使TiO2纳米线再悬浮水中，并加入表面活性剂，将该悬浮液用玻璃滤膜真空抽滤，在玻璃滤膜上就形成半成品TiO2纳米线膜，然后用去离子水反复淋洗，排清表面活性剂后在室温下阴干，移走玻璃滤膜，成为自支撑的TiO2纳米线膜；
(3)以2℃/分钟的升温梯度，在700℃的炉中持续焙烧2h，制备成具有同时催化与分离功能的TiO2纳米线超滤膜。
图1(a)为真空过滤、洗涤后的TiO2纳米线膜片，质地非常柔软，可以弯曲一定形状；图1(b)为煅烧后的表面SEM图(×5000)，富集了纵横交错的TiO2纳米线；图1(c)为煅烧后的断面SEM图(×30)；图1(d)为煅烧后的断面SEM图(×1000)；说明经煅烧后形成了一定网络空隙的超滤膜，具有分离功能。图2为煅烧后的膜片XRD图片，为典型的锐钛矿型二氧化钛，具有良好的催化功能。
Claims (4)
1.一种具有同时催化与膜分离功能的二氧化钛纳米线超滤膜的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)在聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内注入事先配好的一定浓度的NaOH溶液，接着加入一定比例TiO2纳米粉末，超声震荡一定时间使TiO2粉末分散均匀，然后密封，在一定的炉温中水热反应一定时间，冷却后，可制得白色悬浮液，内含自生长的TiO2纳米线；
(2)过滤富集TiO2纳米线后用去离子水和一定浓度的稀盐酸，反复洗涤。然后使TiO2纳米线再悬浮水中，并加入表面活性剂，将该悬浮液用玻璃滤膜真空抽滤，在玻璃滤膜上就形成半成品TiO2纳米线膜，然后用去离子水反复淋洗，排清表面活性剂后在室温下阴干，移走玻璃滤膜，成为自支撑的TiO2纳米线膜；
(3)以一定的升温梯度，在设定温度下马弗炉中持续焙烧一定时间，制备成具有同时催化与分离功能的TiO2纳米线超滤膜。
2.如权利要求1步骤所述的一种具有同时催化与膜分离功能的二氧化钛纳米线超滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的高压反应釜必须内衬聚四氟乙烯，反应物添加须按照一定比例及先后顺序。
3.如权利要求1所述的一种具有同时催化与膜分离功能的二氧化钛纳米线超滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的TiO2纳米线必须经过酸洗及去离子水洗涤成中性，否则会影响催化活性；膜的形状大小，孔径及厚度取决于TiO2纳米线的浓度、质量及玻璃滤膜的形状。
4.如权利1所述的一种具有同时催化与膜分离功能的二氧化钛纳米线超滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的TiO2纳米线超滤膜必须经过一定的升温梯度煅烧并保留一段时间才具有良好的活性。
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