[发明专利]一种石墨烯增强的光催化梯度复合有机膜及其制备方法

说明书

本发明针对现有光催化降解有机染料污水技术中所存在的问题，提出一种石墨烯增强的光催化梯度复合有机膜及其制备方法。其中光催化梯度复合有机膜包括多层作为光催化层的硫化铟/聚乙烯醇有机复合膜材料层或硫化铟锌/聚乙烯醇有机复合膜材料层，以及夹持于相邻两个光催化层之间的石墨烯/聚乙烯醇有机复合膜材料层。本发明不仅具有高效的催化能力，同时也可有效提高复合有机膜的力学强度。彻底解决了光催化剂在实际应用中的回收难题和使用寿命。本发明所制备的石墨烯光催化复合有机膜可为减少持久性有机污染物的环境危害提供新的技术途径。石墨烯光催化复合有机膜具有力学性能高、光催化效率优良、易于回收和重复使用等诸多优点。

技术领域

本发明涉及光催化有机膜领域，具体是一种石墨烯增强的光催化梯度复合有机膜及其制备方法。

背景技术

目前对含有机染料污水处理主要包括物理法、生物法和化学法三种技术。物理法主要通过物理作用来净化污水，在污水处理过程中不会发生化学反应，通常使用的方式有吸附膜和分离膜，这种方式处理比较简单、经济，可以用于那些自净能力强、水体容量大、污水要求不高的情况。生物法是利用微生物来进净化污水，将污水中的有机物进行氧化分解，使得污水最终可以达到国家标准排放要求，常用的工艺有生物膜法和活性污泥法两种，同时生物法的净化程度一般要高于物理法。化学法则是利用化学反应作用来净化污水，通常使用的方式有中和法、混凝法以及氧化还原法等，这种方式处理效果最好，但是相应成本也较高。

光催化降解含有机染料的污水处理技术属于化学法的范畴，光催化降解污水处理的基本原理是半导体光催化剂在光照射作用下，产生光生电子-空穴对，通过电子和空穴的氧化-还原反应对污染物进行降解，从而实现污水处理。与传统的化学法处理污水技术相比，半导体光催化降解污水处理技术最大的特点是可充分利用自然光，通过氧化-还原反应对水体的污染物进行光催化降解，达到水体净化的目的。这一技术可极大降低污水处理的成本。同时，通过氧化-还原反应可将污染物彻底降解为无毒、无害的物质，这也是半导体光催化技术近年来在污水处理中得到极大关注的主要原因。

物理法中采用吸附膜、分离膜对污水处理虽然取得了良好的效果，但均存在一定的技术瓶颈。吸附膜存在对污染物的选择性吸附问题，但通常污水中的污染物具有多样性的特点，因此，吸附膜难以实现对污水中的多种污染物同时进行高效吸附，这将大大降低吸附膜的分离效率；另一方面，吸附膜是通过物理或化学吸附的方式将污染物吸附在膜的表面，未对污染物进行彻底降解，吸附膜需要进行回收存放，无法彻底解决污染源。如果对吸附后的吸附膜回收存放处理不当，很可能成为新的污染源，对环境造成二次污染。分离膜对污染物的分子量及污染物的离子半径的大小具有一定的要求，当分子量或污染物的离子半径大于水分子时，分离膜的分离效率将大大降低。同时存在未对污染物进行彻底降解及对环境造成二次污染风险等问题。

与吸附膜和分离膜相比，光催化技术对污水处理的最大优势在于可以彻底将有毒的污染物通过光催化剂的氧化-还原反应降解为无毒的物质，从而彻底消除污染源。同时，光催化剂主要借助太阳光的能量作为催化反应的动力，这将大大降低污水处理的成本。但目前用的光催化剂主要是通过离心、过滤、磁性吸附等方式进行回收，存在回收工艺复杂，对催化剂回收设备的要求比较高，一旦回收不彻底，会对环境造成二次污染风险等问题。虽然现有技术中也有用催化膜进行污水处理，但仍存在膜的强度及效率有待进一步提高等技术瓶颈急需解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯增强的光催化梯度复合有机膜及其制备方法，以解决现有技术光催化剂制备和回收困难、使用寿命短的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种石墨烯增强的光催化梯度复合有机膜，其特征在于：包括多层光催化层，每相邻的两层光催化层之间分别制备有中间增强层，其中的中间增强层由石墨烯/聚乙烯醇有机复合膜材料层构成，石墨烯/聚乙烯醇有机复合膜材料层中的石墨烯为经聚乙烯吡咯烷酮改性的石墨烯，每个光催化层分别由硫化铟/聚乙烯醇有机复合膜材料层或硫化铟锌/聚乙烯醇有机复合膜材料层构成，由中间增强层实现电子迁移和力学强度增强作用。