CN111871228A - 一种ZnO微纳复合结构陶瓷膜及其制备方法、应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于膜分离技术领域,具体涉及一种ZnO微纳复合结构陶瓷膜的制备方法,包括以下步骤:S1、对陶瓷膜进行清洁处理,以清理陶瓷膜膜孔;采用二水乙酸锌、2‑甲氧基乙醇和乙醇胺配制锌溶液;S2、将锌溶液吸附于陶瓷膜膜孔内,以进行原位水解反应;S3、将经过步骤S2处理后的陶瓷膜进行煅烧,在陶瓷膜表面形成ZnO纳米涂层,即制得ZnO微纳复合结构陶瓷膜。本发明的ZnO微纳复合结构陶瓷膜,以陶瓷膜的膜孔为微型反应器,锌源吸附在陶瓷膜表面后,在搅拌作用下于膜孔内发生原位水解反应,ZnO纳米结构生长,通过高温烧结后在陶瓷膜表面形成均匀分布的氧化锌纳米颗粒,构成微纳复合结构。

Description

一种ZnO微纳复合结构陶瓷膜及其制备方法、应用
技术领域
本发明属于膜分离技术领域,具体涉及一种ZnO微纳复合结构陶瓷膜及其制备方法、应用。
背景技术
陶瓷膜具有分离效率高、分离过程简单、效果稳定、化学稳定性好、耐菌、耐高温、抗污染、机械强度高、使用寿命长等优势。陶瓷膜的分离性能,不仅与膜的孔结构有关,膜表面性质也是影响膜性能的重要因素。
纳米材料相对于宏观材料具有不同的物化性质,纳米材料因其纳米级的尺寸接近电子的自由程,限制其电子的自由移动,能将声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。例如:ZnO纳米涂层因其超亲水特性,优异的抗污染能力,广泛应用于复合材料领域。
因此,设计一种ZnO微纳复合结构陶瓷膜具有重要研究意义。
发明内容
基于现有技术存在的上述不足,本发明提供一种ZnO微纳复合结构陶瓷膜及其制备方法、应用。
为了达到上述发明目的,本发明采用以下技术方案:
一种ZnO微纳复合结构陶瓷膜的制备方法,包括以下步骤:
S1、对陶瓷膜进行清洁处理,以清理陶瓷膜膜孔;采用二水乙酸锌、2-甲氧基乙醇和乙醇胺配制锌溶液;
S2、将锌溶液吸附于陶瓷膜膜孔内,以进行原位水解反应;
S3、将经过步骤S2处理后的陶瓷膜进行煅烧,在陶瓷膜表面形成ZnO纳米涂层,即制得ZnO微纳复合结构陶瓷膜。
作为优选方案,所述步骤S1中,对陶瓷膜进行清洁处理,包括:将陶瓷膜用水浸泡10-30分钟,接着将陶瓷膜浸泡在丙酮中超声清洗10-30分钟,然后将陶瓷膜浸泡在无水乙醇中超声清洗10-30分钟;最后将陶瓷膜放入真空干燥箱中干燥,冷却后待用。
作为优选方案,所述步骤S1中,锌溶液的配制,包括:将二水乙酸锌、2-甲氧基乙醇和乙醇胺混合于水中,并于50℃恒温条件下搅拌,得到透明均匀的胶体,即制得锌溶液。
作为优选方案,所述二水乙酸锌、2-甲氧基乙醇和乙醇胺的摩尔比为1:1:1,锌溶液中锌的摩尔浓度为0.5-1mol/L。
作为优选方案,所述步骤S2中,原位水解反应的方法包括:将陶瓷膜浸泡在锌溶液中,缓慢地搅拌1-3小时;然后将Al2O3陶瓷膜取出,放入70℃的真空干燥箱中干燥。
作为优选方案,所述步骤S2中,生长ZnO纳米粒子的方法采用水热法或凝胶法。
作为优选方案,所述步骤S3中,煅烧的工艺条件包括:以50℃/分钟的加热速率升温至400~700℃,并保持30分钟。
作为优选方案,所述陶瓷膜为Al2O3陶瓷膜、ZrO2陶瓷膜、TiO2陶瓷膜、SiO2陶瓷膜中的一种或多种的复合。
本发明还提供如上任一方案所述的制备方法制得的ZnO微纳复合结构陶瓷膜,包括陶瓷膜和位于陶瓷膜上的ZnO微纳结构。
本发明还提供如上方案所述的ZnO微纳复合结构陶瓷膜的应用,用于含油废水的处理。
本发明与现有技术相比,有益效果是:
本发明的ZnO微纳复合结构陶瓷膜,以陶瓷膜的膜孔为微型反应器,锌源吸附在陶瓷膜表面后,在搅拌作用下于膜孔内发生原位水解反应,ZnO纳米结构生长,通过高温烧结后在陶瓷膜表面形成均匀分布的氧化锌纳米颗粒,构成微纳复合结构。
本发明的制备方法,操作简单,得到的ZnO纳米涂层,完整且均匀地覆盖在陶瓷膜表面;
本发明的ZnO微纳复合结构陶瓷膜对含油废水的处理能力较为显著。
附图说明
图1为本发明实施例1的ZnO微纳复合结构陶瓷膜结构示意图;
图2为本发明实施例1的ZnO微纳复合结构表面的ZnO纳米结构电子显微镜图;
图3为不同锌浓度下制得的ZnO微纳复合结构陶瓷膜的含油废水通量比较图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。
实施例1:
如图1所示,本实施例的ZnO微纳复合结构陶瓷膜包括陶瓷膜1和位于陶瓷膜上的ZnO微纳结构2,即ZnO纳米涂层。其中,陶瓷膜1采用Al2O3陶瓷膜。
具体地,本实施例的ZnO微纳复合结构陶瓷膜的制备方法,包括以下步骤:
S1、对陶瓷膜进行清洁处理,以清理陶瓷膜膜孔;
具体地,将Al2O3陶瓷膜先用去离子水浸泡30分钟,然后将上述Al2O3陶瓷膜浸泡在丙酮中超声清洗30分钟,接着将上述Al2O3陶瓷膜浸泡在无水乙醇中超声波清洗30分钟,最后将所述Al2O3陶瓷膜放入真空干燥箱中在70℃干燥2小时,取出冷却后待用。
采用二水乙酸锌、2-甲氧基乙醇和乙醇胺配制锌溶液;
具体地,将二水乙酸锌、2-甲氧基乙醇和乙醇胺混合在去离子水中,在恒温磁力搅拌器中50℃下搅拌1小时,得到透明均匀的胶体,静置得到锌溶液。其中,二水乙酸锌、2-甲氧基乙醇和乙醇胺的摩尔比保持在1:1:1,保持锌溶液中锌摩尔浓度为1mol/L。
S2、将锌溶液吸附于陶瓷膜膜孔内,以进行原位水解反应;
具体地,将Al2O3陶瓷膜浸泡在上述锌溶液中,缓慢地搅拌1小时,然后将Al2O3陶瓷膜取出,放入70℃的真空干燥箱中干燥1小时。
S3、将经过步骤S2处理后的陶瓷膜进行煅烧,在陶瓷膜表面形成ZnO纳米涂层,即制得ZnO微纳复合结构陶瓷膜。
具体地,将经过步骤S2处理后的Al2O3陶瓷膜放入马弗炉中,以50℃/分钟的加热速率升温至600℃,并在600℃下保持30分钟,得到ZnO微纳复合结构陶瓷膜。
如图2所示,本实施例成功地将ZnO纳米粒子在Al2O3陶瓷膜表面和膜孔中固化,形成ZnO纳米涂层。
基于实施例1,研究锌溶液中锌摩尔浓度的不同对制得的ZnO微纳复合结构陶瓷膜的影响。具体地,对ZnO微纳复合结构陶瓷膜进行膜含油废水通量,其中,含油废水由正辛烷、Span-80和蒸馏水组成。将油、表面活性剂和蒸馏水混合,使用高速搅拌机通过以3000转/分钟混合10分钟来生成油液。膜组件垂直装入系统,以避免油分由于重力的影响在膜表面的沉积将所有的管子全部都连接起来,开始过滤。自制错流过滤装置,原料液放在原料箱中,通过一个管子经由抽水泵进入到机器再通过ZnO微纳复合结构陶瓷膜。可以根据抽水阀的频率来控制液体的流速,滤液将从小管子中慢慢滴出,记录液滴的滴出速率,并将滤液收集起来。溶液经过ZnO微纳复合结构陶瓷膜后又会重新回流到原液箱中。不同锌摩尔浓度制得的ZnO微纳复合结构陶瓷膜含油废水通量结果如图3所示,原样为无ZnO纳米结构的Al2O3陶瓷膜,锌摩尔浓度分别为0.1mol/L、0.5mol/L、0.7mol/L、1mol/L,随着锌摩尔浓度的增大,ZnO纳米结构增多,含油废水通量也越来越大的,说明ZnO纳米结构越多,处理含油废水的能力越强。
在上述实施例及其替代方案中,步骤S1中,陶瓷膜用水浸泡的时长还可以为10分钟、15分钟、20分钟、25分钟等,陶瓷膜浸泡在丙酮中超声清洗的时长还可以为10分钟、15分钟、20分钟、25分钟等,陶瓷膜浸泡在无水乙醇中超声清洗的时长还可以为10分钟、15分钟、20分钟、25分钟等。
在上述实施例及其替代方案中,步骤S2中,原位水解反应中搅拌的时长还可以为2小时、2.5小时、3小时等。
在上述实施例及其替代方案中,步骤S2中,原位水解反应可替换为水热法或溶胶凝胶法。
在上述实施例及其替代方案中,煅烧工艺中的温度还可以为400℃、450℃、550℃、650℃、700℃等。
在上述实施例及其替代方案中,陶瓷膜还可以为ZrO2陶瓷膜、TiO2陶瓷膜或SiO2陶瓷膜,还可以为Al2O3陶瓷膜、ZrO2陶瓷膜、TiO2陶瓷膜、SiO2陶瓷膜中多种的复合。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明,对本领域的普通技术人员而言,依据本发明提供的思想,在具体实施方式上会有改变之处,而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种ZnO微纳复合结构陶瓷膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、对陶瓷膜进行清洁处理,以清理陶瓷膜膜孔;采用二水乙酸锌、2-甲氧基乙醇和乙醇胺配制锌溶液;
S2、将锌溶液吸附于陶瓷膜膜孔内,以进行原位水解反应;
S3、将经过步骤S2处理后的陶瓷膜进行煅烧,在陶瓷膜表面形成ZnO纳米涂层,即制得ZnO微纳复合结构陶瓷膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤S1中,对陶瓷膜进行清洁处理,包括:将陶瓷膜用水浸泡10-30分钟,接着将陶瓷膜浸泡在丙酮中超声清洗10-30分钟,然后将陶瓷膜浸泡在无水乙醇中超声清洗10-30分钟;最后将陶瓷膜放入真空干燥箱中干燥,冷却后待用。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤S1中,锌溶液的配制,包括:将二水乙酸锌、2-甲氧基乙醇和乙醇胺混合于水中,并于50℃恒温条件下搅拌,得到透明均匀的胶体,即制得锌溶液。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述二水乙酸锌、2-甲氧基乙醇和乙醇胺的摩尔比为1:1:1,锌溶液中锌的摩尔浓度为0.5-1mol/L。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中,原位水解反应的方法包括:将陶瓷膜浸泡在锌溶液中,缓慢地搅拌1-3小时;然后将陶瓷膜取出,放入70℃的真空干燥箱中干燥。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中,原位水解反应替换为水热法或凝胶法。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤S3中,煅烧的工艺条件包括:以50℃/分钟的加热速率升温至400~700℃,并保持30分钟。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述陶瓷膜为Al2O3陶瓷膜、ZrO2陶瓷膜、TiO2陶瓷膜、SiO2陶瓷膜中的一种或多种的复合。
9.如权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的ZnO微纳复合结构陶瓷膜,其特征在于,包括陶瓷膜和位于陶瓷膜上的ZnO微纳结构。
10.如权利要求9所述的ZnO微纳复合结构陶瓷膜的应用,其特征在于,用于含油废水的处理。
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