一种处理污水的亲水-疏水不对称结构材料

1.本实用新型属于污水处理材料技术领域，特别涉及一种处理污水的亲水-疏水不对称结构材料。


背景技术：

2.水是生命之源，是人类赖以生存的基础，但目前水污染问题较为严重。工业排放的含染料、重金属离子等污染物污水对生活环境和生态平衡有很大危害。对工业产生的大量含油、染料、重金属离子等污染物污水进行有效的处理，以达到回收再利用以及达标排放的目的，对于环境保护、节约水资源具有极其重要的意义。
3.现有技术中对含染料和重金属离子污染物的污水的处理多通过粉末或者其他材料吸附，需要离心去除吸附剂，不仅操作复杂，耗时久，而且去除染料和重金属离子的效率低。
4.因此，亟需提供一种新的污水处理材料，处理污水的过程简单，进一步地，可高效除去污水中的染料和重金属离子。


技术实现要素：

5.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种处理污水的亲水-疏水不对称结构材料，采用简单的过滤方式处理污水，使得污水处理过程简单，进一步地，对污水中的染料和重金属离子具有高的去除效率。
6.本实用新型的构思为：所述的处理污水的亲水-疏水不对称结构材料包括亲水层和疏水层，通过疏水层对水的阻力，可以调控水相通过亲水层的速率，利用这一特点，以简单的过滤方式对含染料和重金属离子等污染物的污水进行处理，可以调控染料和重金属离子等污染物在亲水层中的停留时间，从而让亲水层中的材料对染料和重金属离子等污染物进行充分吸附，最终使得污水中的染料和重金属离子等污染物的去除效率高。进一步地，调控疏水层在整个亲水-疏水不对称结构材料中的厚度占比为1-25％，可在污水过滤较快的情况下，还能对染料和重金属离子具有高的去除效率。
7.本实用新型的第一方面提供一种处理污水的亲水-疏水不对称结构材料。
8.具体的，一种处理污水的亲水-疏水不对称结构材料，依次包括亲水层和疏水层。进行污水处理时，亲水层在上，疏水层在下，污水从亲水层流入，利用重力作用，从疏水层流出。
9.优选的，所述处理污水的亲水-疏水不对称结构材料中，所述疏水层的厚度占比所述处理污水的亲水-疏水不对称结构材料的厚度的1-25％。
10.进一步优选的，所述疏水层的厚度占比所述处理污水的亲水-疏水不对称结构材料的厚度的10-20％；更优选的，所述疏水层的厚度占比所述处理污水的亲水-疏水不对称结构材料的厚度的13-17％。当所述疏水层的厚度占比所述处理污水的亲水-疏水不对称结构材料的厚度的13-17％时，所述处理污水的亲水-疏水不对称结构材料对污水中的重金属
离子的去除效率已超过86％，对污水中染料的去除效率也高。
11.优选的，所述处理污水的亲水-疏水不对称结构材料的厚度为1-100cm；进一步优选的，所述处理污水的亲水-疏水不对称结构材料的厚度为2-50cm；更优选的，所述处理污水的亲水-疏水不对称结构材料的厚度为2-10cm。所述处理污水的亲水-疏水不对称结构材料的厚度可根据实际需要进行调整。所述处理污水的亲水-疏水不对称结构材料的厚度在不超过10cm的情况下，对污水中的重金属离子的去除效率就能超过86％，甚至超过90％，对染料的去除效率也能超过95％，甚至超过99％。
12.优选的，所述亲水层中包括亲水材料，所述亲水材料选自石墨烯纳米片集成聚氨酯海绵(简称gns/puf)、多巴胺衍生物改性海绵(简称pusds)、石墨烯纳米纤维气凝胶或壳聚糖多巴胺改性聚偏氟乙烯膜(简称cs/da-pvdf)中的至少一种。所述亲水材料都是现有技术中已经报道过的。
13.进一步优选的，所述亲水材料为石墨烯纳米片集成聚氨酯海绵(简称gns/puf)(参见文献“graphene nanosheets homogeneously incorporated in polyurethane sponge for the elimination of water-soluble organic dyes”，journal of colloid and interface science584(2021)816-826，shoichi manabe等)。
14.优选的，所述疏水层中包括疏水材料，所述疏水材料选自超疏水聚氨酯海绵、疏水二氧化硅改性棉布(简称超疏水棉布)、含氟硅烷改性聚氨酯海绵、超疏水石墨烯基气凝胶、超疏水聚酰亚胺气凝胶纤维或超疏水不锈钢滤网中的至少一种。所述疏水材料都是现有技术中已经报道过的。
15.进一步优选的，所述疏水材料为超疏水聚氨酯海绵(参见文献“fabrication of bacteria-and blood-repellent superhydrophobic polyurethane sponge materials”，applied materials&interfaces，ekrem ozkan等)。
16.优选的，所述处理污水的亲水-疏水不对称结构材料，依次包括亲水层和疏水层；所述亲水层包括石墨烯纳米片集成聚氨酯海绵，所述疏水层包括超疏水聚氨酯海绵。
17.优选的，所述处理污水的亲水-疏水不对称结构材料，依次包括亲水层和疏水层；所述亲水层包括多巴胺衍生物改性海绵，所述疏水层包括含氟硅烷改性聚氨酯海绵。
18.优选的，所述处理污水的亲水-疏水不对称结构材料处理的污水中含有染料，染料选自亚甲基蓝、甲基橙、结晶紫、罗丹明b、孔雀石绿或碱性黄中的至少一种。
19.优选的，所述处理污水的亲水-疏水不对称结构材料处理的污水中含有重金属离子，所述重金属离子选自co
2
、cu
2
和cd
2
中的至少一种。
20.相对于现有技术，本实用新型的有益效果在于：
21.(1)本实用新型所述的处理污水的亲水-疏水不对称结构材料包括亲水层和疏水层，通过疏水层对水的阻力，可以调控水相通过亲水层的速率，利用这一特点，以简单的过滤方式对含染料和重金属离子等污染物的污水进行处理，可以调控染料和重金属离子等污染物在亲水层中的停留时间，从而让亲水层中的材料对染料和重金属离子等污染物进行充分吸附，最终使得污水中的染料和重金属离子等污染物的去除效率高。
22.(2)通过调控疏水层在整个亲水-疏水不对称结构材料中的厚度占比为1-25％，可在污水过滤较快的情况下，还能对染料和重金属离子具有高的去除效率。所述处理污水的亲水-疏水不对称结构材料的厚度在不超过10cm的情况下，对污水中的重金属离子的去除
效率就能超过86％，甚至超过90％，对染料的去除效率也能超过95％，甚至超过99％。
23.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
24.下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，其中：
25.图1为本实用新型实施例1的处理污水的亲水-疏水不对称结构材料的结构示意图；
26.图2为本实用新型实施例1-4、对比例1的处理污水的亲水-疏水不对称结构材料对污水中染料孔雀石绿的去除效果图。
具体实施方式
27.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
28.实施例1
29.一种处理污水的亲水-疏水不对称结构材料，依次包括亲水层和疏水层，亲水层为石墨烯纳米片集成聚氨酯海绵，疏水层为超疏水聚氨酯海绵，其中亲水层的厚度为25mm，疏水层的厚度为5mm。
30.图1为本实用新型实施例1的处理污水的亲水-疏水不对称结构材料的结构示意图；图1中的100表示亲水层，200表示疏水层。
31.实施例2
32.一种处理污水的亲水-疏水不对称结构材料，依次包括亲水层和疏水层，亲水层为石墨烯纳米片集成聚氨酯海绵，疏水层超疏水聚氨酯海绵，其中亲水层的厚度为26mm，疏水层的厚度为4mm。
33.实施例3
34.一种处理污水的亲水-疏水不对称结构材料，依次包括亲水层和疏水层，亲水层为石墨烯纳米片集成聚氨酯海绵，疏水层为超疏水聚氨酯海绵，其中亲水层的厚度为27mm，疏水层的厚度为3mm。
35.实施例4
36.一种处理污水的亲水-疏水不对称结构材料，依次包括亲水层和疏水层，亲水层为石墨烯纳米片集成聚氨酯海绵，疏水层为超疏水聚氨酯海绵，其中亲水层的厚度为28mm，疏水层的厚度为2mm。
37.对比例1
38.与实施例1相比，对比例1的区别仅在于，对比例1中的处理污水的亲水-疏水不对称结构材料不含疏水层。
39.产品效果测试
40.1.处理含染料的污水效果
41.配制一种含孔雀石绿的污水，然后分别用实施例1-4和对比例1制得的处理污水的亲水-疏水不对称结构材料，进行污水处理，污水从亲水层流入，从疏水层流出，处理的结果如图2所示。
42.图2为本实用新型实施例1-4、对比例1的处理污水的亲水-疏水不对称结构材料对污水中染料孔雀石绿的去除效果图。图2中的横坐标“thickness of hydrophobic layer”表示疏水层的厚度，对比例1对应疏水层厚度为0mm，实施例1对应疏水层厚度为5mm，实施例2对应疏水层厚度为4mm，实施例3对应疏水层厚度为3mm，实施例4对应疏水层厚度为2mm。图2左侧纵坐标“water flux”表示水通量，图2中的曲线对应左侧纵坐标(有左指向箭头指示)，表示亲水-疏水不对称结构材料中的疏水层厚度与水通量的关系；图2中右侧纵坐标“mg removal efficiency”表示染料孔雀石绿的去除效率，图2中的柱状图对应右侧纵坐标(有右指向箭头指示)，表示亲水-疏水不对称结构材料中的疏水层厚度与染料孔雀石绿的去除效率的关系。从图2可以看出，实施例2的亲水-疏水不对称结构材料对应疏水层厚度为4mm，对应的染料孔雀石绿的去除效率超过95％，实施例1的亲水-疏水不对称结构材料对应疏水层厚度为5mm，对应的染料孔雀石绿的去除效率超过99％，对应的水通量约为400l
·
m-2
·
h-1
。从图2可以看出，亲水-疏水不对称结构材料中的疏水层厚度逐渐增加，则染料孔雀石绿的去除效率逐渐增大，水通量逐渐减小。
43.2.处理含重金属离子的污水效果
44.配制一种含co
2
的污水，然后用实施例1制得的处理污水的亲水-疏水不对称结构材料，进行污水处理，污水从亲水层流入，从疏水层流出，结果co
2
的去除效率为90.1％。