CN115286060A - 一种MXene@竹纤维组装体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MXene@竹纤维组装体及其制备方法和应用，属于环境保护领域。一种MXene@竹纤维组装体，所述MXene@竹纤维组装体是由竹纤维膜和MXene材料构成，所述竹纤维膜两个表面和纤维膜孔道内均附有的MXene材料，所述MXene@竹纤维组装体的比表面积为7.001～16.660m2/g，总孔体积为0.011～0.030cm3/g，MXene材料负载量为0.240～7.960mg/cm2。本发明提供一种MXene@竹纤维组装体，该组装体可以将太阳能高效地转换为热能，进而催化还原重金属转变为纳米颗粒，达到去除污水中的重金属的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种MXene@竹纤维组装体及其制备方法和应用，属于环境保护领域。
背景技术
近代工业的迅速发展，使我国人民的物质生活水平得到快速提高，同时也对我们的生存环境造成严重破坏和污染。其中，水资源污染问题最为严峻。含大量重金属的工业废水是水资源污染的主要污染源之一。重金属作为水体主要污染源之一，具有污染源多、毒性强和生物累积性等特点，严重威胁人类及其他的生命和健康。因此，解决水体中重金属污染问题已迫在眉睫。
重金属污染物处理方法主要有包括膜分离法、吸附法和生物处理法等。由于工业废水中重金属浓度高和毒性较大，通过生物处理法去除稳定性较差，膜分离法和吸附法则存在成本高昂的问题。因此，开发新型的重金属处理材料及方法具有重要的研究价值。
MXene是一种新型二维过渡金属碳化物或氮化物，具有高比表面积、高导电性、良好亲水性、丰富的表面活性位点和优异光吸收性能等多重优势，在电化学储能、光热转化和水净化等领域有具有巨大的应用潜力。构筑具有优异光吸收特性和还原性MXene组装体，利用储量大、清洁无污染的太阳能的能量，一步法实现界面蒸发回收再生水和水体中重金属高效去除。
发明内容
本发明的目的在于制备一种高效的界面蒸发光热转换材料，提供一种高效且低成本的处理水体重金属的方法。
一种MXene@竹纤维组装体，所述MXene@竹纤维组装体是由竹纤维膜和MXene材料构成，所述竹纤维膜两个表面和纤维膜孔道内均附有MXene材料，MXene@竹纤维组装体的比表面积为7.001～16.660m2/g，总孔体积为0.011～0.030cm3/g，MXene负载量为0.240～7.960mg/cm2。
本发明所述MXene@竹纤维组装体中，所述竹纤维膜的比表面积为1.736～2.935m2/g，总孔体积为0.003～0.005cm3/g。
本发明所述MXene@竹纤维组装体中，所述竹纤维膜的尺寸可根据实际需要进行选择。优选地，所述竹纤维膜表面积为6～50cm2。
本发明所述MXene@竹纤维组装体中，所述MXene为结构式为Mn+1Xn的二维过渡金属材料，n＝1、2、3，M为过渡金属元素，X为C或者N。
优选地，所述MXene为Ti3C2、Ti2C、Mo3C2、Nb4C3、Nb2C中的一种。
本发明的另一目的是提供上述MXene@竹纤维组装体的制备方法。
一种MXene@竹纤维组装体的制备方法，将MXene分散液均匀涂覆在竹纤维膜上，使MXene分散液浸润整个竹纤维膜，真空干燥后得到MXene@竹纤维组装体，MXene与水的质量比为1:500～1:20；MXene与竹纤维的质量比为1:20～1:2。
上述技术方案中，将MXene分散液均匀涂覆在竹纤维膜上，MXene分散液浸入竹纤维的孔道中，最终使得竹纤维的表面和孔道均附有MXene分散液后进行干燥。
优选地，所述真空干燥温度为40～60℃，时间为1～2h。
优选地，所述MXene分散液按下述方法制得：将MXene与水混合后进行超声处理，超声时间的为30～60min。
本发明的又一目的是提供上述MXene@竹纤维组装体在处理重金属离子废水中的应用。
一种处理重金属离子废水的方法，使所述MXene@竹纤维组装体漂浮于待处理的含有重金属离子的废水表面，在太阳光的照射下进行界面蒸发，同时原位还原重金属。
上述方法中，废水中的重金属离子被还原为纳米金属颗粒。
进一步地，所述废水中的重金属离子为Cu、Mn、Co、Zn、Pb、Cr、Cd阳离子中的一种或几种。
进一步地，所述废水中的重金属离子的浓度为10～3000ppm。
本发明一个优选的技术方案为：一种处理重金属离子废水的方法，具体如下：在重金属离子的废水表面悬浮保温块体，在保温块体表面覆盖吸水材料，所述吸水材料浸入含重金属离子的废水液面以下，所述吸水材料上表面接触所述MXene@竹纤维组装体，在太阳光的照射下进行界面蒸发，同时原位还原重金属，回收蒸发所得再生水
本发明的有益效果为：本发明提供一种MXene@竹纤维组装体，该组装体将可以将太阳能高效地转换为热能，进而催化还原重金属转变为纳米颗粒，达到去除污水中的重金属的目的。同时MXene@竹纤维组装体光热转换界面蒸发形式的水蒸气可以冷凝回收，实现再生水的回收利用。与现有的污水处理方法，本发明具有以下优点：处理工艺简单，不需要预处理工艺，不造成二次污染，成本低。
附图说明
图1是本发明应用结构示意图。附图中的标记为：①MXene组装体，②吸水材料，③保温材料，④重金属废水，⑤再生水，⑥冷凝板。
图2是本发明实施例4制备MXene@竹纤维组装体的扫描电镜图。
图3是本发明实施例1～5中光照时间为90min时重金属去除率和蒸发效率。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
下述实施例中，所用竹纤维膜为圆形，直径为2cm，面积为12.566cm2，厚度为1mm。所述竹纤维膜的比表面积为2.935m2/g，总孔体积为0.005cm3/g。
实施例1
取5mg Nb2C MXene与1.5mL水混合后超声30min形成水分散液，将Nb2CMXene水分散液全部均匀涂覆在竹纤维上，使MXene分散液浸润整个竹纤维膜，然后通过真空干燥箱在40℃、2h的条件下烘干，所得MXene@竹纤维组装体的比表面积为7.713m2/g，总孔体积为0.016cm3/g，MXene负载量为0.4mg/cm2。
将MXene@竹纤维组装体放置到含有10mL的15ppm硝酸锰溶液中，使用2440W·m-2的模拟太阳光照射MXene@竹纤维组装体，光照1.5h温度达到50.5℃，经过冷凝板冷凝收集到约6mL冷凝水，重金属离子去除率约为72.0％，再生水的重金属去除率为100％，蒸发效率为76.3％。
实施例2
取30mg Ti3C2 MXene与1.5mL水混合后超声30min形成水分散液，将Ti3C2MXene水分散液全部均匀涂覆在竹纤维上，使MXene分散液浸润整个竹纤维膜，然后通过真空干燥箱在40℃、2h的条件下烘干，所得MXene@竹纤维组装体的比表面积为14.4m2/g，总孔体积为0.023cm3/g，MXene负载量为2.387mg/cm2。
将MXene@竹纤维组装体放置到含有10mL的150ppm硝酸锰溶液中，使用2440W·m-2的模拟太阳光照射MXene@竹纤维组装体，光照1.5h温度达到52℃，经过冷凝板冷凝收集到约7.5mL冷凝水，重金属离子去除率约为77.2％，再生水的重金属去除率为100％，蒸发效率为83.0％。
实施例3
取5mg Ti3C2 MXene与1.5mL水混合后超声30min形成水分散液，将Ti3C2MXene水分散液全部均匀涂覆在竹纤维上，使MXene分散液浸润整个竹纤维膜，然后通过真空干燥箱在40℃、2h的条件下烘干。所得MXene@竹纤维组装体的比表面积为7.711m2/g，总孔体积为0.019cm3/g，MXene负载量为0.4mg/cm2。
将MXene@竹纤维组装体放置到含有10mL的15ppm硝酸钴溶液中，使用2440W·m-2的模拟太阳光照射组装体，光照1.5h温度达到50.4℃，经过冷凝板冷凝收集到约7mL冷凝水，重金属离子去除率约为73.4％，再生水的重金属去除率为100％，蒸发效率为90.4％。
实施例4
取30mg Ti3C2 MXene与1.5mL水混合后超声30min形成水分散液，将Ti3C2MXene水分散液全部均匀涂覆在竹纤维上，使MXene分散液浸润整个竹纤维膜，然后通过真空干燥箱在40℃、2h的条件下烘干。所得MXene@竹纤维组装体的比表面积为15.18m2/g，总孔体积为0.028cm3/g，MXene负载量为2.387mg/cm2。
将MXene@竹纤维组装体放置到含有10mL的150ppm硝酸钴溶液中，使用2440W·m-2的模拟太阳光照射组装体，光照1.5h温度达到59℃，经过冷凝板冷凝收集到约9mL冷凝水，重金属离子去除率约为80.4％，再生水的重金属去除率为100％，蒸发效率为97.5％。
实施例5
取30mg Ti3C2 MXene与1.5mL水混合后超声30min形成水分散液，将Ti3C2MXene水分散液全部均匀涂覆在竹纤维上，使MXene分散液浸润整个竹纤维膜，然后通过真空干燥箱在40℃、2h的条件下烘干。所得MXene@竹纤维组装体的比表面积为16.3m2/g，总孔体积为0.03cm3/g，MXene负载量为2.387mg/cm2。
将MXene@竹纤维组装体放置到含有10mL的1500ppm硝酸钴溶液中，使用2440W·m-2的模拟太阳光照射组装体，光照1.5h温度达到64.6℃，经过冷凝板冷凝收集到约9mL冷凝水，重金属离子去除率约为80.7％，再生水的重金属去除率为100％，蒸发效率为96.6％。
Claims (10)
1.一种MXene@竹纤维组装体，其特征在于：所述MXene@竹纤维组装体是由竹纤维膜和MXene材料构成，所述竹纤维膜两个表面和纤维膜孔道内均附有MXene材料，所述MXene@竹纤维组装体的比表面积为7.001～16.660m2/g，总孔体积为0.011～0.030cm3/g，MXene材料负载量为0.240～7.960mg/cm2。
2.根据权利要求1所述的MXene@竹纤维组装体，其特征在于：所述竹纤维膜的比表面积为1.736～2.935m2/g，总孔体积为0.003～0.005cm3/g。
3.根据权利要求1所述的MXene@竹纤维组装体，其特征在于：所述MXene为结构式为Mn+ 1Xn的二维过渡金属材料，n＝1、2、3，M为过渡金属元素，X为C或者N。
4.根据权利要求3所述的MXene@竹纤维组装体，其特征在于：所述MXene为Ti3C2、Ti2C、Mo3C2、Nb4C3、Nb2C中的一种。
5.权利要求1所述的MXene@竹纤维组装体的制备方法，其特征在于：将MXene分散液均匀涂覆在竹纤维膜上，使MXene分散液浸润整个竹纤维膜，真空干燥后得到MXene@竹纤维组装体，MXene与水的质量比为1:500～1:20；MXene与竹纤维的质量比为1:20～1:2。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述真空干燥温度为40～60℃，时间为1～2h。
7.一种处理重金属离子废水的方法，其特征在于：使权利要求1所述MXene@竹纤维组装体漂浮于待处理的含有重金属离子的废水表面，在太阳光的照射下进行界面蒸发，同时原位还原重金属。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述废水中的重金属离子为Cu、Mn、Co、Zn、Pb、Cr、Cd阳离子中的一种或几种。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述废水中的重金属离子的浓度为10～3000ppm。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在重金属离子的废水表面悬浮保温块体，在保温块体表面覆盖吸水材料，所述吸水材料浸入含重金属离子的废水液面以下，所述吸水材料上表面接触所述MXene@竹纤维组装体，在太阳光的照射下进行界面蒸发，同时原位还原重金属，回收蒸发所得再生水。
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