CN114939441A - 一种光控离子交换功能材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及功能材料技术领域,尤其涉及一种光控离子交换功能材料及其制备方法和应用,其制备方法为将光催化材料、含电活性离子交换功能材料单体的水溶液与氧化剂混合,进行化学氧化聚合;或者将光催化材料、电活性离子交换中心体、配体材料和水混合,进行化学共沉淀,得到光控离子交换功能材料。制备所得的光控离子交换功能材料呈核壳结构,可以实现电活性离子交换功能材料与光催化材料的复合。在处理离子废水时,电活性离子交换功能材料吸收废水中的离子,而光催化材料可以提高电活性离子交换功能材料的氧化还原状态,进一步提高了材料吸收废水中离子的能力,从而降低能耗。
Description
技术领域
本发明涉及功能材料技术领域,具体为一种光控离子交换功能材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着现代工业的发展,核电、冶金、化工、电镀、采矿、发电和制革等行业产生了大量含碱金属离子、氟离子和氯离子等离子废水。由于废水中离子种类的不同,这些废水产生的危害也具有多样性,如核工业产生的含有放射性的铯离子的废水会对生物产生放射性危害,含过高浓度氟离子的饮用水会对人体的骨骼和牙齿造成危害,含过高浓度氯离子的废水会腐蚀钢铁设备。由于离子废水会对环境和人体健康造成巨大的影响,所以如何处理水中的有害离子一直是世界环保领域和卫生领域的热点问题。
目前,处理离子废水的技术主要有蒸馏、电渗析和反渗透,这些技术已被广泛应用于水处理领域,但是能源消耗巨大的问题始终阻碍着这些技术的发展,难以满足当今社会对水净化处理手段的技术和经济要求。因此,电活性离子交换功能材料成为本领域研究的热点。电活性离子交换功能材料是一种新型的离子交换材料,该材料在不同的氧化还原状态下可选择性的吸附/释放水中的离子,实现废水中离子的分离,改变电活性离子交换功能材料氧化还原状态的传统方法是对其施加不同的电位,但这种材料消耗的能源依然较大。因此,如何降低电活性离子交换功能材料处理离子废水的能耗成为本领域亟待解决的难题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明提供一种光控离子交换功能材料及其制备方法和应用,制备所得的光控离子交换功能材料在处理离子废水时能耗低,且离子回收率高。
本发明是通过以下技术方案来实现:
一种光控离子交换功能材料的制备方法,将光催化材料、含电活性离子交换功能材料单体的水溶液与氧化剂混合,进行化学氧化聚合,得到光控离子交换功能材料。
优选的,所述光催化材料包括氯氧化铋固体、溴氧化铋固体或碘氧化铋固体;所述电活性离子交换功能材料单体包括苯胺单体溶液或吡咯单体溶液;所述氧化剂包括三氯化铁固体、三溴化铁固体、过硫酸铵固体或过硫酸钠固体。
优选的,所述光催化材料与电活性离子交换功能材料单体的物质的量之比为1:(1~3);所述光催化材料与电活性离子交换功能材料单体的物质的量之比为1:(1~3)。
优选的,化学氧化聚合时的温度为-10℃~0℃,时间为3h~24h。
一种光控离子交换功能材料的制备方法,将光催化材料、电活性离子交换中心体、配体材料和水混合,进行化学共沉淀,得到光控离子交换功能材料。
优选的,所述光催化材料包括氯氧化铋固体、溴氧化铋固体或碘氧化铋固体;所述电活性离子交换中心体包括铁氰化钾固体、铁氰化钠固体或硫酸锰固体;所述配体材料包括硫酸铜固体、硫酸镍固体或过硫酸铵固体。
优选的,所述光催化材料与电活性离子交换中心体的物质的量之比为1:(1~3);所述电活性离子交换中心体与配体材料的物质的量之比为1:(1~3)。
优选的,所述化学共沉淀的时间为1h~10h。
一种光控离子交换功能材料,由上述的光控离子交换功能材料的制备方法制备,呈核壳结构;所述核壳机构的核层材料为光催化材料,壳层材料为电活性离子交换功能材料。
一种光控离子交换功能材料在水处理中的应用,在无光照条件下,将光控离子交换功能材料投入到目标离子废水中,进行目标离子吸附。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明一种光控离子交换功能材料的制备方法中将光催化材料、含电活性离子交换功能材料单体的水溶液与氧化剂混合,进行化学氧化聚合,得到光控离子交换功能材料。
本发明一种光控离子交换功能材料的制备方法中将光催化材料、电活性离子交换中心体、配体材料和水混合,进行化学共沉淀,得到光控离子交换功能材料。在电活性离子交换功能材料的制备过程中添加光催化材料,能够在化学共沉淀过程中采用电活性离子交换功能材料将光催化材料包裹起来,形成核壳结构,实现电活性离子交换功能材料与光催化材料的复合。
本发明一种光控离子交换功能材料将光催化材料的光电效应与电活性离子交换功能材料在氧化还原状态下吸脱附废水中的目标离子的机理相结合,能够实现废水中的目标离子的分离回收。
与其他吸附材料相比对锂、铯、氟、氯等离子具有吸附速率快、吸附能力强、吸附容量大等优点;且吸附过程为静态吸附,再生过程仅光照即可实现,整个过程能耗低。
在处理离子废水时,电活性离子交换功能材料不断吸收废水中的离子,而光催化材料能够产生光电效应从而具有氧化还原能力,提高电活性离子交换功能材料的氧化还原状态,进一步提高材料吸收废水中离子的能力,从而降低能耗。
本发明一种光控离子交换功能材料在水处理中的应用,通过利用光催化材料具有的氧化还原能力来调整电活性离子交换功能材料的氧化还原状态来实现废水中的目标离子分离与回收,与传统的废水处理材料相比,光控离子交换功能材料能够大幅降低分离废水中目标离子所需能耗且该材料成本低廉,分离废水中目标离子的过程简单、高效、无二次污染,是一种环境友好,清洁节能的新型离子废水处理材料。
使用时,对光控离子交换功能材料与废水的比例或者与目标离子的比例没有要求,根据常识进行判断即可。实验结果表明,本发明制备得到的光控离子交换材料处理废水时离子的回收率为63.51~94.23%。
附图说明
图1为实施例1制备得到的光控离子交换功能材料的透射电镜图;
图2为实施例1制备得到的光控离子交换功能材料的透射电镜图;
图3为应用例1光控离子交换功能材料吸附废水中氯离子时氯离子浓度随时间变化的曲线;
图4为应用例2硫酸钠溶液中氯离子的浓度随时间的变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明公开了一种光控离子交换功能材料的制备方法,将光催化材料、含电活性离子交换功能材料单体的水溶液与氧化剂混合,进行化学氧化聚合,得到光控离子交换功能材料。在电活性离子交换功能材料的制备过程中添加光催化材料,能够将光催化材料包裹起来,并形成核壳结构,实现电活性离子交换功能材料与光催化材料的复合。
光催化材料能够产生光电效应从而具有氧化还原能力,提高电活性离子交换功能材料的氧化还原状态,进一步提高材料吸收废水中离子的能力,从而实现降低能耗。电活性离子交换功能材料单体能够在氧化剂条件下氧化聚合形成电活性离子交换功能材料聚苯胺和聚吡咯,从而实现废水中离子的回收。水为反应介质,用于化学氧化聚合。氧化剂用于提供氧化环境,使得电活性离子交换功能材料单体氧化聚合形成电活性离子交换功能材料。通过控制上述原料的比例能够进一步提高化学氧化聚合的程度。
在光控离子交换功能材料的制备过程中,对光催化材料的来源、含电活性离子交换功能材料单体的水溶液的来源及浓度、氧化剂的来源没有特殊规定,采用本领域技术人员熟知的市售产品及配制方式配制即可。
其中,光催化材料包括氯氧化铋固体、溴氧化铋固体或碘氧化铋固体;电活性离子交换功能材料单体包括苯胺单体溶液或吡咯单体溶液;氧化剂包括三氯化铁固体、三溴化铁固体、过硫酸铵固体或过硫酸钠固体。
光催化材料与电活性离子交换功能材料单体的物质的量之比为1:(1~3);光催化材料与电活性离子交换功能材料单体的物质的量之比为1:(1~3)。通过控制上述原料的比例能够进一步提高化学氧化聚合的程度。
混合操作步骤如下:将光催化材料与含电活性离子交换功能材料单体的水溶液在超声条件下混合,超声时间优选为10min~40min,更优选为20min~30min,超声功率没有特殊限定,在优选时间内完成溶解即可。
之后缓慢加入氧化剂,氧化剂以水溶液的形式加入,以进一步提高化学氧化聚合的程度,氧化剂的水溶液浓度优选为0.1mol/L~2mol/L,更优选为0.15mol/L~0.5mol/L。对所述氧化剂的水溶液的配制方法没有特殊的限定,只要保证氧化剂的用量满足要求即可。
在氧化剂加入的同时增加搅拌条件,对搅拌的操作没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的搅拌操作即可。本发明对缓慢加入的速率没有特殊的限定,根据常识进行判断即可。缓慢加入氧化剂能够控制聚合反应速度,防止局部氧化剂浓度过高而使单体过氧化。
化学氧化聚合的温度优选为-10℃~0℃下,更优选为-5℃~0℃;化学氧化聚合的时间优选为3h~24h,更优选为12h~20h。通过控制化学氧化聚合的工艺条件能够进一步提高化学氧化聚合的程度,从而有利于制备得到光控离子交换功能材料。
化学氧化聚合完成后,将化学氧化聚合的产物依次进行过滤、洗涤和真空干燥,得到光控离子交换功能材料。对过滤、洗涤和真空干燥的操作没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的工艺操作即可。
本发明还公开了一种光控离子交换功能材料的制备方法,将光催化材料、电活性离子交换中心体、配体材料和水混合,进行化学共沉淀,得到光控离子交换功能材料。在电活性离子交换功能材料的制备过程中添加光催化材料,能够在化学共沉淀过程中采用电活性离子交换功能材料将光催化材料包裹起来,形成核壳结构,实现电活性离子交换功能材料与光催化材料的复合,在处理离子废水时,电活性离子交换功能材料不断吸收废水中的离子,而光催化材料能够产生光电效应从而具有氧化还原能力,提高电活性离子交换功能材料的氧化还原状态,进一步提高材料吸收废水中离子的能力,从而实现降低能耗。
光催化材料包括氯氧化铋固体、溴氧化铋固体或碘氧化铋固体。光催化材料能够产生光电效应从而具有氧化还原能力,提高电活性离子交换功能材料的氧化还原状态,进一步提高材料吸收废水中离子的能力,从而实现降低能耗。
电活性离子交换中心体包括铁氰化钾固体、铁氰化钠固体或硫酸锰固体;配体材料包括硫酸铜固体、硫酸镍固体或过硫酸铵固体。电活性离子交换中心体为铁氰化钾固体或铁氰化钠固体时,能够与配体材料硫酸铜固体反应,得到铁氰化铜;电活性离子交换中心体为铁氰化钠固体或铁氰化钾固体时,能够与配体材料硫酸镍固体反应,得到铁氰化镍;电活性离子交换中心体为硫酸锰固体时,能够与配体材料过硫酸铵固体反应,得到二氧化锰。通过控制上述原料的比例能够进一步提高化学共沉淀的程度。
在光控离子交换功能材料的制备过程中,对光催化材料的来源、电活性离子交换中心体的来源并没有特殊规定,采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
混合操作步骤如下:将光催化材料和电活性离子交换中心体溶于水中,再加入配体材料。
光催化材料与电活性离子交换中心体的物质的量之比优选为1:(1~3),更优选为1:(1~2);电活性离子交换中心体与配体材料的物质的量之比优选为1:(1~3),更优选为1:(1~2)。通过控制上述原料的比例能够进一步提高化学共沉淀的程度。
在光催化材料和电活性离子交换中心体溶于水中,再加入配体材料的操作过程中没有特殊的限定,只要保证将各原料混合均匀即可。
化学共沉淀的时间优选为1h~10h,更优选为3h~5h。对化学共沉淀的温度没有特殊的限定,在常温下进行操作即可。
化学共沉淀完成后,对化学共沉淀得到的产物依次进行过滤、洗涤和干燥,得到光控离子交换功能材料。对过滤、洗涤和干燥的操作没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的工艺操作即可。
在电活性离子交换功能材料的制备过程中添加光催化材料,能够将光催化材料包裹起来,形成核壳结构,实现电活性离子交换功能材料与光催化材料的复合,在处理离子废水时,电活性离子交换功能材料不断吸收废水中的离子,而光催化材料能够产生光电效应从而具有氧化还原能力,提高电活性离子交换功能材料的氧化还原状态,进一步提高材料吸收废水中离子的能力,从而实现降低能耗。
本发明还公开了一种光控离子交换功能材料,呈核壳结构,核壳结构的核层材料为光催化材料,壳层材料为电活性离子交换功能材料。利用光催化材料具有的氧化还原能力来调整电活性离子交换功能材料的氧化还原状态来实现废水中的目标离子分离与回收,与传统的废水处理材料相比,光控离子交换功能材料能够大幅降低分离废水中目标离子所需能耗且该材料成本低廉,分离废水中目标离子的过程简单、高效、无二次污染,是一种环境友好,清洁节能的新型离子废水处理材料。
通过利用光催化材料具有的氧化还原能力来调整电活性离子交换功能材料的氧化还原状态来实现废水中的目标离子分离与回收,与传统的废水处理材料相比,光控离子交换功能材料能够大幅降低分离废水中目标离子所需能耗且该材料成本低廉,分离废水中目标离子的过程简单、高效、无二次污染,是一种环境友好,清洁节能的新型离子废水处理材料。
光控离子交换功能材料将光催化材料的光电效应与电活性离子交换功能材料在氧化还原状态下吸脱附废水中的目标离子的机理相结合,能够实现废水中的目标离子的分离回收。
将本发明提供的光控离子交换功能材料投入到目标离子废水中,在无光照条件下能够使废水中的目标离子被吸附;吸附目标离子的光控离子交换功能材料投入到再生液(浓度为0.13mol/L~3mol/L硫酸钠溶液、硫酸钾溶液、氯化钠溶液或氯化钾溶液)中,使用波长高于200nm且低于800nm的紫外可见光照射能够将目标离子释放,使得光控离子交换功能材料得到空位再生,能够被再次使用。光控离子交换功能材料的再生过程无需添加其他化学试剂,避免了二次污染物的生成。
本发明还公开了一种光控离子交换功能材料在水处理中的应用,在无光照条件下,将光控离子交换功能材料投入到目标离子废水中,进行目标离子吸附。水处理中目标离子优选为锂离子、钠离子、铯离子、氟离子和氯离子中的一种。
在水处理过程中的操作如下:在无光照条件下,将光控离子交换功能材料投入到目标离子废水中,进行目标离子吸附。对光控离子交换功能材料与废水的比例或者与目标离子的比例没有要求,根据常识进行判断即可。
实施例1
将0.08mol的氯氧化铋固体分散在含0.15mol吡咯单体溶液的水溶液中并进行超声处理10min,再在0℃下缓慢加入0.15mol/L三氯化铁溶液进行化学氧化聚合反应12h,后经过滤、乙醇和蒸馏水依次洗涤、60℃真空干燥24h,得到光控离子交换功能材料;其中,所述吡咯单体与三氯化铁的物质的量之比为1:1。
实施例1制备得到的光控离子交换功能材料的透射电镜图如图1和2所示,其中,从图1可以看出,本发明制备得到的光控离子交换功能材料为核壳结构,从图2可以看出,本发明制备得到的光控离子交换功能材料中核为光催化材料,壳为电活性离子交换功能材料。
应用例1
将实施例1制备得到的光控离子交换功能材料分散在氯离子浓度为11.37mg/L的废水中,并不断搅拌60min,进行目标离子的吸附,吸附完成后,废水中的氯离子浓度为1.43mg/L,将达到吸附平衡后的光控离子交换功能材料转移至0.5mol/L硫酸钠溶液中,用300nm紫外可见光照射1h,硫酸钠溶液中氯离子浓度为7.83mg/L,氯离子的再生效率为78.77%。
图3为应用例1光控离子交换功能材料吸附废水中氯离子时氯离子浓度随时间变化的曲线。从图3可以看出,随着吸附时间的延长,光控离子交换功能材料逐渐达到吸附平衡。
实施例2
将0.1mol溴氧化铋固体与铁氰化钠固体以1:1的摩尔比溶于水中,再加入0.1mol硫酸镍固体搅拌5h,常温下进行化学共沉淀,经过滤、蒸馏水洗涤、70℃真空干燥4h,得到光控离子交换功能材料。
应用例2
将实施例2制备得到的光控离子交换功能材料分散在铯离子浓度为49.63mg/L的废水中,并不断搅拌60min,进行目标离子的吸附,吸附完成后,废水中的铯离子浓度为5.78mg/L,将达到吸附平衡后的光控离子交换功能材料转移至0.5mol/L硫酸钠溶液中,用500nm紫外可见光照射1h,硫酸钠溶液中铯离子浓度为45.60mg/L,铯离子的再生效率为91.88%。
图4为应用例2硫酸钠溶液中氯离子的浓度随时间的变化曲线。从图4可以看出,随着时间的延长,再生液硫酸钠溶液中氯离子的浓度逐渐增加。
实施例3
将溴氧化铋固体与铁氰化钾固体以1:1.2的摩尔比溶于水中,再加入0.5mol硫酸铜搅拌3h,常温下进行化学共沉淀,经过滤、蒸馏水洗涤、55℃真空干燥5h,得到光控离子交换功能材料;其中,所述铁氰化钾与硫酸铜的物质的量之比为1:1。
应用例3
将实施例3制备得到的光控离子交换功能材料分散在铯离子浓度为71.11mg/L的废水中,并不断搅拌60min,进行目标离子的吸附,吸附完成后,废水中的铯离子浓度为8.58mg/L,将达到吸附平衡后的光控离子交换功能材料转移至0.4mol/L氯化钠溶液中,用500nm紫外可见光照射1h,氯化钠溶液中铯离子浓度为58.92mg/L,铯离子的再生效率为94.23%。
实施例4
将碘氧化铋固体与铁氰化钠固体以1:2的摩尔比溶于水中,再加入0.2mol硫酸镍搅拌3h,常温下进行化学共沉淀,经过滤、蒸馏水洗涤、50℃真空干燥5h,得到光控离子交换功能材料;其中,所述铁氰化钠与硫酸镍的物质的量之比为1:1.2。
应用例4
将实施例4制备得到的光控离子交换功能材料分散在铯离子浓度为63.65mg/L的废水中,并不断搅拌60min,进行目标离子的吸附,吸附完成后,废水中的铯离子浓度为10.31mg/L,将达到吸附平衡后的光控离子交换功能材料转移至0.8mol/L氯化钾溶液中,用400nm紫外可见光照射1h,氯化钾溶液中铯离子浓度为47.53mg/L,铯离子的再生效率为89.11%。
实施例5
将0.2mol碘氧化铋固体分散在含有0.15mol吡咯单体的水溶液中,并超声混合25min,再在-5℃下缓慢加入0.5mol/L的过硫酸钠溶液进行化学氧化聚合反应12h,后经过滤、蒸馏水洗涤、60℃真空干燥5h,得到光控离子交换功能材料;其中,所述吡咯单体与过硫酸钠的物质的量之比为1:1。
应用例5
将实施例5制备得到的光控离子交换功能材料分散在锂离子浓度为59.54mg/L的废水中,并不断搅拌60min,进行目标离子的吸附,吸附完成后,废水中的锂离子浓度为9.52mg/L,将达到吸附平衡后的光控离子交换功能材料转移至1mol/L硫酸钾溶液中,用300nm紫外可见光照射1h,硫酸钾溶液中锂离子浓度为31.77mg/L,锂离子的再生效率为63.51%。
实施例6
将0.2mol碘氧化铋固体分散在含有0.2mol苯胺单体的水溶液超声混合15min,再在-5℃下缓慢加入0.15mol/L过硫酸铵溶液,进行化学氧化聚合反应12h,后经过滤、蒸馏水洗涤、60℃真空干燥5h,得到光控离子交换功能材料;其中,所述苯胺单体与过硫酸铵的物质的量之比为1:0.75。
应用例6
将实施例6制备得到的光控离子交换功能材料分散在锂离子浓度为49.78mg/L的废水中,并不断搅拌60min,进行目标离子的吸附,吸附完成后,废水中的锂离子浓度为3.47mg/L,将达到吸附平衡后的光控离子交换功能材料转移至1mol/L硫酸钾溶液中,用300nm紫外可见光照射1h,硫酸钾溶液中锂离子浓度为34.52mg/L,锂离子的再生效率为74.54%。
从以上实施例和应用例可以看出,本发明提供的光控离子交换功能材料在处理离子废水时无需施加电压,能耗低,且离子回收率高。
在处理离子废水时,电活性离子交换功能材料不断吸收废水中的离子,而光催化材料能够产生光电效应从而具有氧化还原能力,提高电活性离子交换功能材料的氧化还原状态,进一步提高材料吸收废水中离子的能力,从而降低能耗。实验结果表明,本发明制备得到的光控离子交换材料处理废水时离子的回收率为63.51~94.23%。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光控离子交换功能材料的制备方法,其特征在于,将光催化材料、含电活性离子交换功能材料单体的水溶液与氧化剂混合,进行化学氧化聚合,得到光控离子交换功能材料。
2.根据权利要求1所述的光控离子交换功能材料的方法,其特征在于,所述光催化材料包括氯氧化铋固体、溴氧化铋固体或碘氧化铋固体;所述电活性离子交换功能材料单体包括苯胺单体溶液或吡咯单体溶液;所述氧化剂包括三氯化铁固体、三溴化铁固体、过硫酸铵固体或过硫酸钠固体。
3.根据权利要求1所述的光控离子交换功能材料的制备方法,其特征在于,所述光催化材料与电活性离子交换功能材料单体的物质的量之比为1:(1~3);所述光催化材料与电活性离子交换功能材料单体的物质的量之比为1:(1~3)。
4.根据权利要求1所述的光控离子交换功能材料的制备方法,其特征在于,化学氧化聚合时的温度为-10℃~0℃,时间为3h~24h。
5.一种光控离子交换功能材料的制备方法,其特征在于,将光催化材料、电活性离子交换中心体、配体材料和水混合,进行化学共沉淀,得到光控离子交换功能材料。
6.根据权利要求5所述的光控离子交换功能材料的制备方法,其特征在于,所述光催化材料包括氯氧化铋固体、溴氧化铋固体或碘氧化铋固体;所述电活性离子交换中心体包括铁氰化钾固体、铁氰化钠固体或硫酸锰固体;所述配体材料包括硫酸铜固体、硫酸镍固体或过硫酸铵固体。
7.根据权利要求5所述的光控离子交换功能材料的制备方法,其特征在于,所述光催化材料与电活性离子交换中心体的物质的量之比为1:(1~3);所述电活性离子交换中心体与配体材料的物质的量之比为1:(1~3)。
8.根据权利要求5所述的光控离子交换功能材料的制备方法,其特征在于,所述化学共沉淀的时间为1h~10h。
9.一种光控离子交换功能材料,其特征在于,由权利要求1~8所述的任一项光控离子交换功能材料的制备方法制备,呈核壳结构;所述核壳机构的核层材料为光催化材料,壳层材料为电活性离子交换功能材料。
10.一种权利要求9所述的光控离子交换功能材料在水处理中的应用,其特征在于,在无光照条件下,将光控离子交换功能材料投入到目标离子废水中,进行目标离子吸附。
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