能降解有机污染物和分离油水的光驱动装置及制备方法

1.本发明涉及水处理与油水分离领域，具体地涉及能降解有机污染物和分离油水的光驱动装置及制备方法。


背景技术：

2.水是生命之源、生产之要、生态之基。兴水利、除水害，事关人类生存、经济发展、社会进步，历来是治国安邦的大事。而随着城市工业化进程地不断推进，水的化学性污染愈加严重，在水的化学性污染中，以各种有机农药、多环芳烃、芳香烃为代表的有机污染物，由于化学性质稳定而很难被生物所分解。另一类以石油及其炼制品为代表的油类污染会在水面形成油膜，不仅影响鱼类和浮游生物生长，而且具有致癌作用。因此，去除水中有机污染物和油类污染物对于提升水质、实现水资源的有效保护与利用具有重要意义。
3.近年来，具有自主运动性能的微纳马达在环境修复领域展现出巨大的应用前景。相对于传统的污水处理方法，微纳马达的自主运动特性不仅使其能够到达污染水域的各个不同区域定点降解污染物，而且这种自主运动能够起到微搅拌的作用强化传质，从而提升降解效率。微纳马达的运动能力主要来自于马达表面发生催化反应产生微气泡推动马达运动，采用的催化剂多为铂、银等贵金属催化剂，为了降低成本实现马达的大规模生产和应用，一系列基于非贵金属基的光催化微纳马达应运而生，如基于二氧化钛光催化剂的微纳马达，不仅可以应对严重的环境挑战，而且可以实现太阳能的有效利用，应对能源危机。
4.对于水中油类污染物的处理，基于超浸润性物理吸附法实现油水分离一直是含油污水处理技术的热点。例如，超疏水三维多孔材料由于具有高的油水选择性和优异的油吸附性能，展现出极大的研究价值。目前对于超疏水三维多孔材料油水分离性能的研究很多，包括超疏水材料制备方法、超疏水性能提升及耐用性能提升等，而研究的方法往往是将收集的油水混合物通过超疏水三维多孔材料进行过滤分离或将超疏水三维多孔材料放置于油水混合物的油污表面进行油的吸附，无法直接对开放水域如江河湖海等中的浮油进行处理，这无疑会限制其实际应用。更重要的是，当前尚缺少一种在开放水域中能够利用太阳能进行自主运动并同时能够降解有机污染物和处理油污的装置。


技术实现要素：

5.本发明所需要解决的技术问题在于提供能降解有机污染物和分离油水的光驱动装置及制备方法。
6.本发明的第一个技术方案是，能降解有机污染物和分离油水的光驱动装置的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
7.a、油水分离板的制备：将一块三维多孔材料板进行超声清洗后干燥；再通过浸渍法在干燥的多孔材料表面引入低表面能超疏水涂层，使其具有超疏水性能，得到油水分离板；
8.b、fe-tio2微纳马达的制备：
9.b1、将tio2微球均匀分散于去离子水溶液中，使用移液枪移取一定体积的微球水溶液，滴在抛光硅片上，将硅片置于匀胶机上旋转，转速约800r/min，持续5～10s，使微球溶液在硅片上均匀铺展，再加热烘干后，在硅片表面形成紧密排布的tio2微球；
10.b2、对tio2微球进行磁控溅射，靶材为fe，溅射的fe膜只覆盖于tio2微球的上半表面，从而获得fe-tio2微纳马达；
11.c、聚二甲基硅氧烷层制备：将聚二甲基硅氧烷前聚物和固化剂以一定的比例混合，将混合液静置待用；将步骤a得到的油水分离板的一侧浸渍于该混合液中一定时间后，在混合液未完全固化时取出油水分离板，从而在油水分离板的一侧获得聚二甲基硅氧烷层；
12.d、将聚二甲基硅氧烷层与步骤b2获得的fe-tio2微纳马达的fe膜侧进行粘接，之后在一定温度下固化一定时间，固化完成后，将硅片从fe-tio2微纳马达上剥离，得到能降解有机污染物和分离油水的光驱动装置。
13.根据本发明所述的能降解有机污染物和分离油水的光驱动装置的制备方法的优选方案，所述三维多孔材料板为三聚氰胺海绵板、聚氨酯海绵板、聚乙烯醇海绵板和泡沫金属板中的一种。
14.根据本发明所述的能降解有机污染物和分离油水的光驱动装置的制备方法的优选方案，所述低表面能超疏水涂层为引入含硅或含氟材料的低表面能涂层，包括但不限于二氧化硅涂层、聚二甲基硅氧烷涂层或氟硅烷涂层。
15.根据本发明所述的能降解有机污染物和分离油水的光驱动装置的制备方法的优选方案，所述聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合比例为8:1～10:1。
16.本发明的第二个技术方案是，一种能降解有机污染物和分离油水的光驱动装置，包括油水分离板、聚二甲基硅氧烷层和fe-tio2微纳马达；其特征在于：所述油水分离板的基材为一块三维多孔材料板，该三维多孔材料表面引入低表面能超疏水涂层，使其具有超疏水性能；所述油水分离板的一侧浸渍有聚二甲基硅氧烷层；所述fe-tio2微纳马达是通过对tio2微球进行磁控溅射，靶材为fe，溅射的fe膜只覆盖于tio2微球的上半表面，从而获得的fe-tio2微纳马达；所述fe-tio2微纳马达的fe膜侧与聚二甲基硅氧烷层通过粘接连接。
17.本发明所述的能降解有机污染物和分离油水的光驱动装置能够利用太阳光驱动实现水中有机污染物降解和油水分离功能；本发明的工作机理为：在 fe-tio2微纳马达的fe侧产生芬顿效应，产生的羟基自由基可实现水中有机污染物的高效降解；在fe-tio2微纳马达的tio2侧发生光催化效应，h2o2光催化分解产生氧气气泡，在氧气泡的驱动下微纳马达带动装置高速运动；装置在运动的过程中油水分离板可以到达水域中的浮油处，实现油水分离。
18.根据本发明所述的能降解有机污染物和分离油水的光驱动装置的优选方案，其特征在于：所述三维多孔材料板为三聚氰胺海绵板、聚氨酯海绵板、聚乙烯醇海绵板和泡沫金属板中的一种。
19.根据本发明所述的能降解有机污染物和分离油水的光驱动装置的优选方案，其特征在于：所述低表面能超疏水涂层为引入含硅或含氟材料的低表面能涂层，包括但不限于二氧化硅涂层、聚二甲基硅氧烷涂层或氟硅烷涂层。
20.本发明所述的能降解有机污染物和分离油水的光驱动装置及制备方法的有益效
果是：
21.1)本发明中的fe-tio2微纳马达不仅提供了装置的动力，使装置具有运动能力，而且能够实现水中有机污染物的降解。在微纳马达的fe侧产生芬顿效应，可实现水中有机污染物的高效降解；在微纳马达的tio2侧，h2o2催化分解产生氧气气泡，在氧气泡的驱动下马达高速运动，从而可促进马达与有机污染物的快速混合，提高降解能力；
22.2)fe-tio2微纳马达可实现太阳能的有效利用，同时fe和tio2均为非贵金属催化剂，可降低微纳马达的成本；
23.3)油水分离板具有油水分离能力，同时在fe-tio2微纳马达提供的动力作用下，可以到达开放水域中的浮油处，实现油水分离。
24.4)本发明获得的装置兼具光驱动、有机污染物降解、油水分离多重功能。
25.5)可以通过调控油水分离板的材料类型、孔径大小、疏水性等实现油水分离性能的变化，从而应用于不同的含油场合；可以通过调控微纳马达的数量和 tio2的活性实现装置运动性能的变化。
26.本发明制备和应用方法均简单，不会产生二次污染，成本低，可广泛应用于废水处理、油水分离等领域。
附图说明
27.图1是本发明所述的兼具有机污染物降解与油水分离双功能的光驱动装置结构示意图。
28.图2微纳马达表面的反应机理图。
29.图3是本发明所述的兼具有机污染物降解与油水分离双功能的光驱动装置的制备流程图。
具体实施方式
30.下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
31.实施例1，参见图1至图3，能降解有机污染物和分离油水的光驱动装置的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
32.a、油水分离板1的制备：将一块三维多孔材料板分别在乙醇和去离子水中超声20min后，在60℃下进行干燥；再将干燥后三维多孔材料板通过浸渍法在干燥的多孔材料表面引入低表面能超疏水涂层，使其具有超疏水性能。所述低表面能超疏水涂层可以选择引入含硅或含氟材料的低表面能涂层，包括但不限于二氧化硅涂层、聚二甲基硅氧烷涂层、或氟硅烷涂层，比如选择浸渍于十七氟癸基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中，之后置于烘箱中于80℃干燥2h，得到油水分离板1；其中所述三维多孔材料板为三聚氰胺海绵板、聚氨酯海绵板、聚乙烯醇海绵板和泡沫金属板中的一种。
33.b、fe-tio2微纳马达的制备：
34.b1、将tio2微球4均匀分散于去离子水溶液中，使用移液枪移取一定体积的微球水溶液，滴在抛光硅片上，将硅片置于匀胶机上旋转，转速约800r/min，持续5～10s，使微球溶液在硅片5上均匀铺展，再加热烘干后，在硅片表面形成紧密排布的tio2微球。
35.b2、对tio2微球进行磁控溅射，靶材为fe，溅射的fe膜只覆盖于tio2微球的上半表
面，从而获得fe-tio2微纳马达3。
36.c、聚二甲基硅氧烷层2的制备：将聚二甲基硅氧烷前聚物和对应的固化剂以 8:1～10:1一定的比例混合。将混合液静置待用；将步骤a得到的油水分离板1 的一侧浸渍于该混合液中一定时间后，在混合液未完全固化时取出油水分离板 1，从而在油水分离板1的一侧获得聚二甲基硅氧烷层2。
37.d、将聚二甲基硅氧烷层2与步骤b2获得的fe-tio2微纳马达的fe膜侧进行粘接，之后在120度高温下固化2小时，固化完成后，将硅片从fe-tio2微纳马达上剥离，得到能降解有机污染物和分离油水的光驱动装置。该装置由油水分离板、聚二甲基硅氧烷层和fe-tio2微纳马达组成。
38.实施例2，参见图3，一种能降解有机污染物和分离油水的光驱动装置，包括油水分离板1、聚二甲基硅氧烷层2和fe-tio2微纳马达3。所述油水分离板1 的基材为一块三维多孔材料板，该三维多孔材料表面引入低表面能超疏水涂层，使其具有超疏水性能；所述油水分离板1的一侧浸渍有聚二甲基硅氧烷层 2；所述fe-tio2微纳马达3是通过对tio2微球进行磁控溅射，靶材为fe，溅射的fe膜只覆盖于tio2微球的上半表面，从而获得的fe-tio2微纳马达；所述 fe-tio2微纳马达3的fe膜侧与聚二甲基硅氧烷层2通过粘接连接。
39.在具体实施例中，所述三维多孔材料板为三聚氰胺海绵板、聚氨酯海绵板、聚乙烯醇海绵板和泡沫金属板中的一种。所述低表面能超疏水涂层为引入含硅或含氟材料的低表面能涂层，包括但不限于二氧化硅涂层、聚二甲基硅氧烷涂层或氟硅烷涂层。
40.具体应用时，在本发明中fe-tio2微纳马达3的fe侧，fe
2
与h2o2溶液发生芬顿反应，反应产生的羟基自由基具有强氧化性，可将水中的有机污染物高效降解；在fe-tio2微纳马达3的tio2侧，h2o2溶液光催化分解产生氧气气泡，在氧气泡的驱动下微纳马达高速运动，可促进与有机污染物的快速混合，提高降解能力；油水分离板1具有油水分离能力，在fe-tio2微纳马达3提供的动力作用下，可以自动到达开放水域中的浮油处，实现油水分离。
41.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。