一种光催化-水蒸发双功能太阳能蒸发膜

技术领域

本发明属于水资源再生技术领域，涉及一种光催化-水蒸发双功能太阳能蒸发膜及其制备方法。

背景技术

据估计，在未来三年内，生活在缺水地区的人口将达到39亿，全球近三分之二的人口面临清洁水短缺的问题，一种可行的淡水生产策略是通过光降解、过滤、蒸馏等一系列净化步骤将污染水回用。由于太阳能的高可持续性和清洁度使之成为最有前途的生产清洁水的方式之一。

近年来，太阳光水蒸发已成为水资源再生领域的研究热点。其基本策略是利用太阳能将污水、废水或海水转化为水蒸气，然后将水蒸气收集并浓缩成可饮用的淡水。太阳光水蒸发将水从污染物和杂质中分离出来的过程类似于自然环境中的水循环。因此，该技术是一种不需要额外能量投入的环保、低成本的水净化策略。由于天然水的太阳光吸收率低，能量转化效率差，所以需要将光热转换性能高的材料，即太阳能蒸发膜，放置在水体表面，实现界面加热。界面光热材料通常来源于光热功能分子或纳米材料，如等离子体金属、半导体、碳纳米管、共轭聚合物。典型的太阳能蒸发膜包括光热气凝胶、水凝胶、多孔聚合物网络、泡沫、膜等。一个更严重的问题是农药残留和其他有机污染物在农业和工业废水中广泛存在。虽然传统的太阳能蒸发膜可以有效地将水和污染物分离，但这些污染物仍然存在于自然环境中，并继续对人类和自然生物造成危害。

光催化技术作为高级氧化技术的代表，在污染物处理领域得到了广泛的应用。光催化剂一般具有化学性质稳定、可氧化性和还原性强、成本低、运行寿命长等优点，特别适用于农药、染料、抗生素残留等有机污染物的降解。然而，由于光催化剂在水中容易扩散，水域面积越大，对光催化剂的需求也就越多，导致光催化剂的生产和回收成本巨大。因此，很难通过光催化法直接处理大规模的水。

针对上述问题，本发明提出一种将太阳光水蒸发和光催化功能集成为一体的新型太阳能蒸发膜。其中，太阳光水蒸发性质可以实现污水的低成本净化；光催化性质可以减少农药等有机污染物在待处理水体中的残留量，还可以减轻有机污染物堵塞蒸发膜表面蒸汽逸出孔道等不利影响。此外，以所要构筑的太阳能蒸发膜作为光催化剂的载体，可以有效防止光催化剂在水体中的扩散，使利用光催化技术处理大范围水体成为可能。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有光催化和水蒸发双功能的太阳能蒸发膜材料，克服传统单一功能的太阳能水蒸发膜无法在水蒸发完毕之后去除有机污染物残留的问题，同时也解决传统光催化剂易在水中扩散所导致的回收难问题，为水资源再生领域提供新策略和技术支撑。

为实现所述目的，本发明采取以下技术方案：

一种利用静电纺丝工艺制备光催化-水蒸发双功能太阳能蒸发膜的方法，所述的膜材料由含有黑色TiO

将亲水有机聚合物、黑色TiO

优选地，制备静电纺丝液A的亲水有机聚合物可为醋酸纤维素、聚丙烯腈、聚乳酸、聚乙二醇中至少一种；

优选地，制备静电纺丝液B的疏水有机聚合物可为聚乙烯醇缩丁醛、聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚氨酯、聚苯乙烯中之一；

优选地，黑色TiO

优选地，有机聚合物、黑色TiO

优选地，所述纺丝液推进速率为0.2～0.4 mL/h，纺丝电压为12～16 kV，接收距离为10～20 cm；

优选地，所述静电纺丝环境温度为20～40

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明涉及的太阳能蒸发膜的主体材料是亲/疏水Janus纳米纤维膜，其中亲水材料和疏水材料在纳米尺度上相结合，避免了传统太阳能蒸发膜中亲水材料和疏水材料在宏观上分层所导致的层间开裂的现象，提高了结构稳定性。

2、本发明涉及的亲/疏水Janus纳米纤维膜中，疏水材料可以限制亲水材料在水中的溶胀效应所导致的体积膨胀，提高了循环使用寿命。

3、本发明引入黑色TiO

4、本发明涉及的太阳能蒸发膜具有较高的水蒸发和光热脱盐性能，且经历长时间光热脱盐后，蒸发膜表面不产生可见的盐结晶，同时还可以通过光催化作用降解水中有机污染物。

附图说明

图1是本发明中实施例1至实施例5的结构示意图；

图2是本发明中实施例1的实物照片；

图3是本发明中实施例1的扫描电镜图；

图4是本发明中实施例1至实施例5的紫外-可见-近红外吸收光谱图；

图5是本发明中实施例1至实施例5在1倍模拟太阳光照下处理纯水的蒸发量曲线图；

图6是1倍模拟太阳光照射下，经2 h处理后，本发明中实施例1处理20 g不同浓度四环素水溶液的水蒸发率和四环素降解率；

图7是1倍模拟太阳光照射下，本发明中实施例1处理不同浓度NaCl水溶液时的脱盐性能；

图8是1倍模拟太阳光照射下，本发明中实施例1处理模拟海水时的脱盐性能；

图9是本发明中实施例1对20 %的NaCl溶液进行10 h连续脱盐实验前后的上表面实物照片；

图10是本发明中实施例1的10次循环实验稳定性。

实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种利用静电纺丝工艺制备光催化-水蒸发双功能太阳能蒸发膜的方法，具体制备步骤如下：

（1）将亲水有机聚合物、黑色TiO

（2）将疏水有机聚合物、黑色TiO

（3）将A、B两种静电纺丝液置于并行静电纺丝设备中进行静电纺丝，用铝箔纸收集静电纺丝纤维，获得光催化-水蒸发双功能太阳能蒸发膜。

而且，本发明所述黑色TiO

而且，所述纺丝液A中亲水有机聚合物优选为醋酸纤维素和聚乙二醇的混合物，溶剂为丙酮和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液；

而且，所述醋酸纤维素的参数为乙酰基：39.8 wt%，羟基：3.5 wt%，聚乙二醇的分子量Mw为2000；

而且，所述醋酸纤维素和聚乙二醇的质量比优选为2:1；

而且，所述纺丝液A中丙酮和N,N-二甲基甲酰胺的质量比优选为1:1.5；

而且，所述纺丝液A中亲水有机聚合物和溶剂的质量比优选为0.4:1；

而且，所述纺丝液A中黑色TiO

而且，所述纺丝液B中疏水有机聚合物优选为聚乙烯醇缩丁醛，溶剂为二甲基亚砜；

而且，所述聚乙烯醇缩丁醛的分子量Mw为40000-70000；

而且，所述纺丝液B中疏水有机聚合物和溶剂的质量比优选为0.18:1；

而且，所述纺丝液B中黑色TiO

而且，所述静电纺丝环境温度为25

而且，所述纺丝液推进速率优选为0.3 mL/h，纺丝电压优选为14 kV，接收距离优选为15 cm。

实施例

（1）将商业化的粒径约40 nm的白色TiO

（2）将0.8 g聚乙二醇、1.6 g醋酸纤维素、0.16 g黑色TiO

（3）并行喷丝头的制作方法是：采用两支分别都带有截平的12#不锈钢针头的5 mL注射器，将两根不锈钢针头分别弯曲30º角，使两针尖可紧密并行，并采用一支1 mL塑料喷枪头套在两根并行不锈钢针头上，使两根不锈钢针头的尖端处于塑料喷枪头的中间部分。在进行并行静电纺丝时，将纺丝液A和B分别加入至两支5 mL注射器中，采用铝箔纸作为收丝装置。经过7 h静电纺丝后，将产物从铝箔纸上揭下，获得纳米纤维膜。并行静电纺丝的过程参数为：电压为14 kV，纺丝针头与接收网的距离为15 cm，两种纺丝液流速均为0.3 mL/h。将获得的纳米纤维膜切割成直径为4 cm的圆片，得到光催化-水蒸发双功能太阳能蒸发膜。

所述光催化-水蒸发双功能太阳能蒸发膜在水蒸发同时降解水中四环素（TC）的应用，具体测试方法如下：

利用太阳光模拟器生成柱状均匀（辐照不均匀性< 2%）的模拟太阳光，光斑可以完全覆盖蒸发膜。在光照前，在烧杯中加入20 g水，将蒸发膜在水中强制浸泡10 min后置于水面。烧杯放在电子天平上，以记录蒸发过程中水的质量损失。当模拟太阳光照射到膜的上表面时，光被吸收并转化为热能。膜表面的水受热后迅速蒸发。

为了评价蒸发膜的光催化性能，选择TC作为模型污染物质。用紫外-可见-近红外吸收光谱测定溶液中TC的浓度。每次光催化实验前，将膜置于20 g TC溶液中暗处理1 h，以达到吸附-解吸平衡。然后用模拟太阳光照射该系统。每隔5 min记录溶液的吸光度和重量变化。

实施例

蒸发膜的制备方法和测试方法与实施例1相同，区别在于纺丝液A中黑色TiO

实施例

蒸发膜的制备方法和测试方法与实施例1相同，区别在于纺丝液A中黑色TiO

实施例

蒸发膜的制备方法和测试方法与实施例1相同，区别在于纺丝液A中黑色TiO

实施例

蒸发膜的制备方法和测试方法与实施例1相同，区别在于纺丝液A中黑色TiO

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。