CN113003815B - 连续光催化超滤杯、纤维球制备方法和超滤膜的制备方法 - Google Patents

连续光催化超滤杯、纤维球制备方法和超滤膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种连续光催化超滤杯、纤维球制备方法和超滤膜的制备方法，连续光催化超滤杯包括杯体和杯盖以及设于杯体和杯盖之间的滤芯筒；所述滤芯筒筒壁材质为可折叠收纳的透明硅胶外壳，所述滤芯筒的一端与杯体连接，所述滤芯筒的另一端与杯盖连接，所述透明硅胶外壳与杯体连接的一端设有第一开口，所述第一开口设有第一滤膜，所述透明硅胶外壳与杯盖连接的一端设有第二开口，所述第二开口设有第二滤膜；所述滤芯筒内包裹有自发光光催化纤维球。采用了光催化净化和超滤结合的技术，可以高效处理原水。

Description

连续光催化超滤杯、纤维球制备方法和超滤膜的制备方法
技术领域
本发明主要涉及水处理领域，具体是一种连续光催化超滤杯、纤维球制备方法和超滤膜的制备方法。
背景技术
我国是个水资源匮乏的大国，尤其是淡水资源匮乏，我国目前主流的水处理技术都需要一定的药品设备或者电力等条件，很难在短时间内实现饮用水的供给，但是在一些偏远地区水资源的匮乏不是缺少水而是水处理工艺的落后，此外在一些灾害如地震、战争、疫情、污染等爆发后，饮用水极有可能得不到保障。因此研究出一种便于运输，不需要外界条件并且具有较高的水处理效率的水净化设备是十分必要的。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种连续光催化超滤杯、纤维球制备方法和超滤膜的制备方法，连续光催化超滤杯携带方便，使用简单，水处理效率高，出水效率高，出水速度快，而且可以更换部件循环利用。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
根据本发明的一个方面，提供一种连续光催化超滤杯，包括杯体和杯盖以及设于杯体和杯盖之间的滤芯筒，优选的杯盖带有硅胶吸嘴；
所述滤芯筒筒壁材质为可折叠的透明硅胶，作为一种可选方案，其杯体含有褶皱，使用时通过拉长杯盖和杯底增加容量，不使用时可通过按压杯盖和杯底压缩体积；
所述滤芯筒的一端与杯体连接，所述滤芯筒的另一端与杯盖连接，
所述透明硅胶外壳与杯体连接的一端设有第一开口，所述第一开口设有第一滤膜，所述透明硅胶外壳与杯盖连接的一端设有第二开口，所述第二开口设有第二滤膜；
所述滤芯筒内包裹有自发光光催化纤维球。
进一步的，所述自发光光催化纤维球包括若干不同类型的自发光连续光催化纤维球，若干所述不同类型的自发光连续光催化纤维球发生光催化氧化反应所需的光的波长不同；
和/或
所述第二滤膜表面包覆可清除的保护液。
进一步的，所述杯体为可折叠的透明软硅胶。杯体的材质是透明软硅胶，具有良好透光性且易于挤压和折叠。
进一步的，若干所述不同类型的自发光连续光催化纤维球，包括
第一自发光连续光催化纤维球，所述第一自发光连续光催化纤维球中纤维：光反应交联剂：光催化剂重量比为1.5-2.5：1：80-100，其中光催化剂为二氧化钛；
第二自发光连续光催化纤维球，所述第二自发光连续光催化纤维球中纤维：光反应交联剂：光催化剂重量比为2.5-3.5：1：80-100，其中光催化剂为硫化锌；
第三自发光连续光催化纤维球，所述第三自发光连续光催化纤维球中纤维：光反应交联剂：光催化剂重量比为2.5-3.5：1：80-100，其中光催化剂为硫化镉；
第四自发光连续光催化纤维球，所述第四自发光连续光催化纤维球中纤维：光反应交联剂：光催化剂重量比为1.5-2.5：1：80-100，其中光催化剂为氧化铋。
进一步的，所述自发光光催化纤维球包括4种不同类型的自发光连续光催化纤维球，所述滤芯筒筒内若干所述不同类型的自发光连续光催化纤维球的质量比相同。
进一步的，所述杯体为可折叠的透明软硅胶，所述杯体为由柔性硅胶制成波浪形筒体，所述杯体的相邻波峰之间的距离及波峰的高度随杯体的伸缩而变化。
进一步的，所述自发光连续光催化纤维球制备过程包括以下步骤：
按纤维与蓄光剂的质量比为25-35:1制备复合蓄光元素的纤维球，所述蓄光剂包括发磷光的物质；
把纤维球、光催化剂和光反应交联剂按照重量比混合进行交联反应，制得自发光连续光催化纤维球。
进一步的，所述第二滤膜为光催化改性后的复合超滤膜，其制备过程如下：
将一定质量的聚偏氟乙烯、纳米纤维素晶体、光催化剂和溶剂在温度为30℃～90℃的条件下搅拌混合12h～24h得混合液，其中，所述聚偏氟乙烯的质量分数为7％～20％，纳米纤维素晶体的质量分数为0.1％～5％，光催化剂的质量分数为1％～10％，所述的光催化剂为TiO2、α-Fe2O3、g-C3N4中的一种或几种的混合物，所述的溶剂为二甲亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种；
将混合液静置脱泡24h～30h，得到共混铸膜液；
用刮刀将共混铸膜液在玻璃板上均匀的延展至厚度为150-250μm薄膜，然后浸入去离子水中，浸泡10min～50min沉浸凝胶成膜，再放在去离子水中浸泡12h～14h，得到光催化改性超滤膜。
进一步的，所述滤芯筒与杯体、杯盖之间均为可拆卸连接。
进一步的，所述可折叠的透明硅胶外壳为由柔性硅胶制成波浪形筒体，所述透明硅胶外壳的相邻波峰之间的距离及波峰的高度随透明硅胶外壳的伸缩而变化。
根据本发明的另一个方面，提供一种自发光连续光催化纤维球制备方法，包括以下步骤：
按纤维与蓄光剂的质量比为25-35:1制备复合蓄光元素的纤维球，所述蓄光剂包括发磷光的物质；
把纤维球、光催化剂和光反应交联剂按照重量比混合进行交联反应，制得自发光连续光催化纤维球。
进一步的，所述预设重量比，包括：
第一预设重量比，所述第一预设重量比中纤维球：光反应交联剂：光催化剂重量比为1.5-2.5：1：80-100，其中光催化剂为二氧化钛；
或者
第二预设重量比，所述第二预设重量比中纤维球：光反应交联剂：光催化剂重量比为2.5-3.5：1：80-100，其中光催化剂为硫化锌；
或者
第三预设重量比，所述第三预设重量比中纤维球：光反应交联剂：光催化剂重量比为2.5-3.5：1：80-100，其中光催化剂为硫化镉；
或者
第四预设重量比，所述第四预设重量比中纤维球：光反应交联剂：光催化剂重量比为1.5-2.5：1：80-100，其中光催化剂为氧化铋。
进一步的，所述纤维为碳材料中空纤维、醋酸纤维、海藻纤维中的一种或多种。
根据本发明的另一个方面，提供一种光催化改性复合超滤膜的制备方法，包括以下步骤：
将一定质量的聚偏氟乙烯、纳米纤维素晶体、光催化剂和溶剂在温度为30℃～90℃的条件下搅拌混合12h～24h得混合液，其中，所述聚偏氟乙烯的质量分数为7％～20％，纳米纤维素晶体的质量分数为0.1％～5％，光催化剂的质量分数为1％～10％，其余为溶剂，所述的光催化剂为TiO2、α-Fe2O3、g-C3N4中的一种或几种，所述的溶剂为二甲亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种；
将混合液静置脱泡24h～30h，得到共混铸膜液；
用刮刀将共混铸膜液在玻璃板上均匀的延展至厚度为150-250μm薄膜，然后浸入去离子水中，浸泡10min～50min沉浸凝胶成膜，再放在去离子水中浸泡12h～14h，得到光催化改性超滤膜。
对比与现有技术，本发明有益效果在于：
1.本发明连续光催化超滤杯采用了光催化净化和超滤结合的技术，可以高效处理原水。
2.本发明连续光催化超滤杯滤芯筒内滤料采用可压缩的自发光光催化纤维球，水处理时可以拉长滤芯筒以提高水处理效率，即使在黑暗的条件下也可依靠自发光进行光催化反应降解有机物和杀灭致病微生物，杯体和滤芯筒也利于挤压为水处理过程提供压力和携带运输。
3.本发明连续光催化超滤杯的滤芯筒采用螺纹连接，易于拆卸，方便清洗和更换。
4.本发明连续光催化超滤杯不仅小巧而且可折叠，易于携带运输。作为可选方案，总重量约250g,折叠后体积约300mL，容积却可达1000mL。
5.本发明连续光催化超滤杯不需提供任何附加条件，装入原水后倒置即可净化原水，用手挤压瓶体便可产生充足的压力。
6.本发明的滤芯筒超滤膜为光催化改性超滤膜，亲水性好、膜通量高，且能在过滤的同时实现微界面光催化氧化反应，进一步保障出水水质。
附图说明
图1是本发明折叠结构示意图；
图2是本发明内部结构示意图；
图3是本发明展开后结构示意图；
图4是实验例对典型微污染物的去除结果示意图。
其中，1-杯盖，2-滤芯筒，3-杯体，4-第二滤膜，5-自发光光催化纤维球，6-、第一滤膜。
具体实施方式
结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1：
一种连续光催化超滤杯，包括杯体和杯盖以及设于杯体和杯盖之间的滤芯筒；优选的杯盖带有硅胶吸嘴，本实施例中，所述杯体为可折叠的透明软硅胶，所述杯体为由柔性硅胶制成波浪形筒体，所述杯体的相邻波峰之间的距离及波峰的高度随杯体的伸缩而变化，即其杯体含有褶皱，使用时通过拉长杯体增加容量，不使用时可通过按压杯体压缩体积。
所述滤芯筒筒壁材质为可折叠的透明硅胶外壳，所述可折叠的透明硅胶外壳同样为由柔性硅胶制成波浪形筒体，所述透明硅胶外壳的相邻波峰之间的距离及波峰的高度随透明硅胶外壳的伸缩而变化，即所述波浪形筒体折叠后为位于杯体上方的较短的筒体，所述波浪形杯体展开为位于杯体上方的较长的筒体。
所述滤芯筒内包裹有自发光光催化纤维球；所述自发光光催化纤维球包括若干不同类型的自发光连续光催化纤维球，若干所述不同类型的自发光连续光催化纤维球发生光催化氧化反应所需的光的波长不同，具体的作为可选方案，所述自发光光催化纤维球包括4种不同类型的自发光连续光催化纤维球，所述滤芯筒筒内若干所述不同类型的自发光连续光催化纤维球的质量比相同。当然使用者可以根据实际使用条件，增加或减少自发光连续光催化纤维球的种类，4种所述不同类型的自发光连续光催化纤维球，包括：第一自发光连续光催化纤维球，所述第一自发光连续光催化纤维球中纤维：光反应交联剂：光催化剂重量比为1.5-2.5：1：80-100，其中光催化剂为二氧化钛，优选为，2：1：100(二氧化钛，优选纳米二氧化钛颗粒)催化时所需光的波长为200-400nm；第二自发光连续光催化纤维球，所述第二自发光连续光催化纤维球中纤维：光反应交联剂：光催化剂重量比为2.5-3.5：1：80-100，其中光催化剂为硫化锌，优选为，3：1：100(硫化锌，优选纳米硫化锌颗粒)，催化时所需光的波长为280-350nm；第三自发光连续光催化纤维球，所述第三自发光连续光催化纤维球中纤维：光反应交联剂：光催化剂重量比为2.5-3.5：1：80-100，其中光催化剂为硫化镉，优选为，3：1：100(硫化镉，优选纳米硫化镉颗粒)，催化时所需光的波长为400-800nm；第四自发光连续光催化纤维球，所述第四自发光连续光催化纤维球中纤维：光反应交联剂：光催化剂重量比为1.5-2.5：1：80-100，其中光催化剂为氧化铋，优选为，2：1：100(氧化铋，优选纳米氧化铋颗粒)，催化时所需光的波长为280-455nm。
所述滤芯筒的一端与杯体连接，所述滤芯筒的另一端与杯盖连接；为方便拆卸，清洗及更换第一滤膜、第二滤膜，所述滤芯筒与杯体、杯盖之间均为可拆卸连接，如螺纹连接。
所述透明硅胶外壳与杯体连接的一端设有第一开口，所述第一开口设有第一滤膜，所述透明硅胶外壳与杯盖连接的一端设有第二开口，所述第二开口设有第二滤膜，本实施作为优选方案，所述第二滤膜为光催化改性后的复合超滤膜，作为优选，所述第二滤膜表面包覆可清除的保护液，且经超纯水多次清洗保护液后，直至所述第二滤膜进水和出水DOC浓度差小于0.2mg/L。
该连续光催化超滤杯集光催化净化、过滤、超滤工艺于一体，可折叠便于携带运输，可以快速得到饮用水。
使用方法如下：首先取下杯体，然后装入原水装配杯体，然后拉伸滤芯筒并倒置瓶体，通过挤压杯体即可在杯盖上的硅胶吸嘴获得饮用水。使用时，若无法满足可见光条件自发光纤维球同样可以满足光照需求，此时原水透过第一滤膜进入滤芯筒内；原水经过滤芯筒时自发光光催化纤维球会发挥光催化净化作用降解有机物并杀死致病微生物，同时自发光光催化纤维球还可发挥过滤作用降低浊度；最后在重力和挤压杯体产生的压力作用下原水经过第二滤膜得到干净饮用水。
本实施例中，提供一种自发光连续光催化纤维球制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按纤维与蓄光剂的质量比为25-35:1制备复合蓄光元素的纤维球，可以选择25:1或30：1或35：1，所述蓄光剂包括发磷光的物质，如硫化锌复合微量的稀土元素钷；所述纤维为碳材料中空纤维、醋酸纤维、海藻纤维中的一种或多种。
按照重量比为光催化剂：光反应性交联剂：纤维＝2：1：100的比例进行交联反应，制备得到不同组成及比例的自发光连续光催化纤维球，这便制得了自发光连续光催化纤维球。
步骤2：把纤维球、光催化剂和光反应交联剂按照预设重量比混合进行交联反应，制得自发光连续光催化纤维球。其中，光反应性交联剂可以选择芳香叠氮、双丫丙啶等，所述预设重量比，包括但不限于以下几种情况：
第一预设重量比，所述第一预设重量比中纤维球：光反应交联剂：光催化剂重量比为1.5-2.5：1：80-100，其中光催化剂为二氧化钛；优选为，3：1：100(硫化锌，优选纳米硫化锌颗粒)。
或者
第二预设重量比，所述第二预设重量比中纤维球：光反应交联剂：光催化剂重量比为2.5-3.5：1：80-100，其中光催化剂为硫化锌；优选为，3：1：100(硫化锌，优选纳米硫化锌颗粒)。或者
第三预设重量比，所述第三预设重量比中纤维球：光反应交联剂：光催化剂重量比为2.5-3.5：1：80-100，其中光催化剂为硫化镉；优选为，3：1：100(硫化镉，优选纳米硫化镉颗粒)。
或者
第四预设重量比，所述第四预设重量比中纤维球：光反应交联剂：光催化剂重量比为1.5-2.5：1：80-100，其中光催化剂为氧化铋。优选为，2：1：100(氧化铋，优选纳米氧化铋颗粒)。
本实施例中，提供一种光催化改性复合超滤膜，包括以下步骤：
步骤11：将一定质量的聚偏氟乙烯、纳米纤维素晶体、光催化剂和溶剂在温度为30℃的条件下搅拌混合12h得混合液，其中，所述聚偏氟乙烯的质量分数为7％，纳米纤维素晶体的质量分数为0.1％，光催化剂的质量分数为1％，其余为溶剂，所述的光催化剂为TiO2、α-Fe2O3、g-C3N4中的一种或几种的混合物，所述的溶剂为二甲亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种，所述纳米纤维素晶体能够提升膜的亲水性和抗污染性能；
步骤22：将混合液静置脱泡24h，得到共混铸膜液；
步骤33：用刮刀将共混铸膜液在玻璃板上均匀的延展至厚度为150μm薄膜，然后浸入去离子水中，浸泡10min沉浸凝胶成膜，再放在去离子水中浸泡12h，得到光催化改性超滤膜。作为优选，所述光催化改性复合超滤膜使用前表面包覆可清除的保护液，且经超纯水多次清洗保护液后，直至得到光催化改性超滤膜进水和出水DOC浓度差小于0.2mg/L。
实施例2：本实施例提供一种光催化改性复合超滤膜，包括以下步骤：
步骤11：将一定质量的聚偏氟乙烯、纳米纤维素晶体、光催化剂和溶剂在温度为60℃的条件下搅拌混合18h得混合液，其中，所述聚偏氟乙烯的质量分数为14％，纳米纤维素晶体的质量分数为2％，光催化剂的质量分数为5％，其余为溶剂，所述的光催化剂为TiO2、α-Fe2O3、g-C3N4中的一种或几种的混合物，所述的溶剂为二甲亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种，所述纳米纤维素晶体能够提升膜的亲水性和抗污染性能；
步骤22：将混合液静置脱泡27h，得到共混铸膜液；
步骤33：用刮刀将共混铸膜液在玻璃板上均匀的延展至厚度为200μm薄膜，然后浸入去离子水中，浸泡30min沉浸凝胶成膜，再放在去离子水中浸泡13h，得到光催化改性超滤膜。作为优选，所述光催化改性复合超滤膜使用前表面包覆可清除的保护液，且经超纯水多次清洗保护液后，直至得到光催化改性超滤膜进水和出水DOC浓度差小于0.2mg/L。
实施例3：本实施例提供一种光催化改性复合超滤膜，包括以下步骤：
步骤11：将一定质量的聚偏氟乙烯、纳米纤维素晶体、光催化剂和溶剂在温度为90℃的条件下搅拌混合24h得混合液，其中，所述聚偏氟乙烯的质量分数为20％，纳米纤维素晶体的质量分数为5％，光催化剂的质量分数为10％，其余为溶剂，所述的光催化剂为TiO2、α-Fe2O3、g-C3N4中的一种或几种的混合物，所述的溶剂为二甲亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种，所述纳米纤维素晶体能够提升膜的亲水性和抗污染性能；
步骤22：将混合液静置脱泡30h，得到共混铸膜液；
步骤33：用刮刀将共混铸膜液在玻璃板上均匀的延展至厚度为250μm薄膜，然后浸入去离子水中，浸泡50min沉浸凝胶成膜，再放在去离子水中浸泡14h，得到光催化改性超滤膜。作为优选，所述光催化改性复合超滤膜使用前表面包覆可清除的保护液，且经超纯水多次清洗保护液后，直至得到光催化改性超滤膜进水和出水DOC浓度差小于0.2mg/L。
实验例：
实施例1连续光催化超滤杯进出水水质情况如表1所示，对典型微污染物的去除情况见图4。
表1原水及出水水质情况
项目 浊度(NTU) DOC(mg/L) UV<sub>254</sub>(cm<sup>-1</sup>) 菌落总数(CFU/mL)
原水 2.3-4.2 2.8-4.6 0.035-0.058 420
出水 0.03-0.05 1.1-1.8 0.006-0.012 未检出
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能。

Claims (9)

1.一种连续光催化超滤杯，其特征在于，包括杯体和杯盖以及设于杯体和杯盖之间的滤芯筒；
所述滤芯筒筒壁材质为可折叠的透明硅胶外壳，所述滤芯筒内包裹有自发光光催化纤维球；
所述滤芯筒的一端与杯体连接，所述滤芯筒的另一端与杯盖连接；
所述透明硅胶外壳与杯体连接的一端设有第一开口，所述第一开口设有第一滤膜，所述透明硅胶外壳与杯盖连接的一端设有第二开口，所述第二开口设有第二滤膜，所述第二滤膜为光催化改性复合超滤膜；
将一定质量的聚偏氟乙烯、纳米纤维素晶体、光催化剂和溶剂在温度为30℃~90℃的条件下搅拌混合12h~24h得混合液，其中，所述聚偏氟乙烯的质量分数为7%~20%，纳米纤维素晶体的质量分数为0.1%~5%，光催化剂的质量分数为1%~10%，其余为溶剂，所述的光催化剂为TiO2、α-Fe2O3、g-C3N4中的一种或几种，所述的溶剂为二甲亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种；
将混合液静置脱泡24h~30h，得到共混铸膜液；
用刮刀将共混铸膜液在玻璃板上均匀的延展至厚度为150-250μm薄膜，然后浸入去离子水中，浸泡10min~50min沉浸凝胶成膜，再放在去离子水中浸泡12h~14h，得到光催化改性复合 超滤膜。
2. 如权利要求1所述的连续光催化超滤杯，其特征在于，所述自发光光催化纤维球包括若干不同类型的自发光连续光催化纤维球，若干所述不同类型的自发光连续光催化纤维球发生光催化氧化反应所需的光的波长不同；
和/或
所述第二滤膜表面包覆可清除的保护液。
3.如权利要求1或2所述的连续光催化超滤杯，其特征在于，所述自发光光催化纤维球包括4种不同类型的自发光连续光催化纤维球，所述滤芯筒筒内若干所述不同类型的自发光连续光催化纤维球的质量比相同。
4.如权利要求1所述的连续光催化超滤杯，其特征在于，所述杯体为可折叠的透明软硅胶，所述杯体为由柔性硅胶制成波浪形筒体，所述杯体的相邻波峰之间的距离及波峰的高度随杯体的伸缩而变化。
5.如权利要求1所述的连续光催化超滤杯，其特征在于，所述滤芯筒与杯体、杯盖之间均为可拆卸连接。
6.如权利要求1所述的连续光催化超滤杯，其特征在于，所述可折叠的透明硅胶外壳为由柔性硅胶制成波浪形筒体，所述透明硅胶外壳的相邻波峰之间的距离及波峰的高度随透明硅胶外壳的伸缩而变化。
7.如权利要求1所述的连续光催化超滤杯，其特征在于，所述自发光连续光催化纤维球制备方法，包括以下步骤：
按纤维与蓄光剂的质量比为25-35:1制备复合蓄光元素的纤维球，所述蓄光剂包括发磷光的物质；
把纤维球、光催化剂和光反应交联剂按照预设重量比混合进行交联反应，制得自发光连续光催化纤维球。
8.如权利要求7所述的连续光催化超滤杯，其特征在于，所述预设重量比，包括：
第一预设重量比，所述第一预设重量比中纤维球：光反应交联剂：光催化剂重量比为1.5-2.5：1：80-100，其中光催化剂为二氧化钛；
或者
第二预设重量比，所述第二预设重量比中纤维球：光反应交联剂：光催化剂重量比为2.5-3.5：1：80-100，其中光催化剂为硫化锌；
或者
第三预设重量比，所述第三预设重量比中纤维球：光反应交联剂：光催化剂重量比为2.5-3.5：1：80-100，其中光催化剂为硫化镉；
或者
第四预设重量比，所述第四预设重量比中纤维球：光反应交联剂：光催化剂重量比为1.5-2.5：1：80-100，其中光催化剂为氧化铋。
9.如权利要求7所述的连续光催化超滤杯，其特征在于，所述纤维为碳材料中空纤维、醋酸纤维、海藻纤维中的一种或多种。
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