一种吸附及光催化降解功能材料及其制备方法和应用

本发明涉及吸附与光催化降解材料及污染废水处理领域。

背景技术：

1、有机染料及重金属是污染废水的重要污染源，对环境及生命健康构成了巨大威胁。

2、吸附及光催化降解技术是解决上述难题的重要途径。吸附剂如活性炭、分子筛、硅胶等。其具有制备简单，操作方便，吸附作用速率快、即时效果明显，但缺点是有机污染物只是被集中在吸附剂上，并没有被降解。tio2以其无毒，光催化活性高，稳定性高，氧化能力强，能耗低，可重复使用等优点而成为优良的光催化材料，广泛用于有机污染物的光降解。若将吸附作用和光催化作用协同使用可以很好的实现废水中有机污染物的吸附、降解，达到净化水功能。li等人用分子印迹技术处理了碳纳米片修饰的tio2杂化粒子并用于紫外线下的吸附-光催化协同效用。其中分子印迹层具有特异性识别抗生素环丙沙星(cip)的作用，碳纳米片具有优异的导电性，这有助于光生载流子的有效分离，从而提高tio2的光催化性能。

3、但目前大多数材料难以兼顾吸附及光催化，使得处理污染废水工艺复杂，成本提升，效率降低。因而，制备具有吸附、光催化协同效应的功能材料技术是处理水污染的重要发展方向。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种无机纳米粒子与桥接硅氧烷制备一种吸附及光催化降解功能材料，以实现更高效的的污染废水处理技术。

2、本申请的一种桥接硅氧烷-无机纳米粒子功能材料制备方法，桥接硅氧烷与无机纳米粒子通过硅羟基的水解与无机纳米粒子表面的羟基缩合，形成杂化粒子。该杂化粒子结构疏松，呈多孔状；同时还保留了部分未反应的硅羟基及自身的一些官能团，如胺基等。这些高比表面积的形态，及基团都有利于吸附污染水中的污染物，如有机染料，重金属离子等。同时杂化粒子中的无机纳米粒子又具备光催化降解作用，可将吸附的有机污染物高效降解去除。

3、具体包括如下步骤：将无机粒子、桥接硅氧烷在溶剂中混合均匀，无机粒子、桥接硅氧烷质量比为1:50-50:1，反应体系总质量浓度为10％-50％，溶剂为dmf，dmso，thf等；超声处理15-60min后加入催化剂，加入量为反应溶剂的0.1％-0.01％；将混合液搅拌反应1-6小时后过滤得到杂化粒子，反应温度25℃-80℃；得到的杂化粒子用乙醇洗涤后干燥处理即可。

4、进一步地，所述的无机粒子为二氧化钛、钼酸铋或类石墨相氮化碳。

5、进一步地，所述桥接硅氧烷为硅烷交联剂，具体为：双(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)胺(btespa)，双(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺(btmspa)，双-(3-(三乙氧基硅烷)丙基)-二硫化物(tsds)，双-(3-(三乙氧基硅烷)丙基)-四硫化物(tsfs)，1,2-双(三乙氧基硅基)乙烷(btese)或1,2-双(三甲氧基硅基)乙烷(btmse)，桥接硅氧烷的结构式如下所示。

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8、桥接硅氧烷由于存在硅羟基，并可附有一些功能基团，如胺基等，故其本身就有吸附效果。如双(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺(btmspa)结构中具有仲胺基团，在中性条件和酸性条件下能够质子化，所以对有机污染物能起到一定的吸附作用。

9、进一步的，所述催化剂为为水、乙酸、三乙胺中的一种。催化剂的作用是促进有机硅烷中烷氧基硅基的水解，以及硅羟基之间的缩合。

10、本发明还提出了一种由上述方法制备得到的吸附及光催化降解功能材料。

11、本发明还提出了上述吸附及光催化降解功能材料在污水处理中的应用。

12、通过采用上述技术制备的杂化粒子，作为具有吸附及光催化降解作用的功能材料，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

13、1.本发明首次将桥接硅氧烷与光催化材料联用制备杂化粒子用于废水中染料与重金属的吸附与光催化；

14、2.本发明所制备的杂化粒子，结构疏松，比表面积高；

15、3.本发明制备的杂化粒子，对染料与重金属的吸附速率快；

16、4.本发明制备的杂化粒子可光降解吸附的有机污染物；

17、5.本发明生产操作简单，易于工业化生产，工艺绿色环保，能耗能低。

18、本申请方法制备的桥接硅氧烷/无机纳米粒子杂化功能材料，是一种有结构疏松，高比表面积的多孔功能材料，具有高效的吸附及可光降解性。该功能粒子在吸附过程中还存在硅羟基和仲胺基团的静电、氢键作用，使其吸附效率大为提高；同时功能粒子中的二氧化钛、钼酸铋、类石墨相氮化碳具有光催化降解性，因而可对污染废水进行同步吸附和光催化降解，可用于去除污染废水中的有机污染物及重金属离子。对于吸附的有机污染物可进一步在紫外光下发生降解，达到净化水及再生功能材料的作用，不仅提升了处理效率，同时也缩短了杂化粒子的再生循环使用周期。

19、综上所述，本发明具有技术优势，易于工业化；吸附速率快，光催化效果明显。因而本发明具有广阔的工业化及市场前景，具有较好的经济效益及社会效益。

技术特征：

1.一种吸附及光催化降解功能材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种吸附及光催化降解功能材料的制备方法，其特征在于，所述的无机粒子为二氧化钛、钼酸铋、类石墨相氮化碳中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种吸附及光催化降解功能材料的制备方法，其特征在于，所述桥接硅氧烷为：双(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)胺，双(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺，双-(3-(三乙氧基硅烷)丙基)-二硫化物，双-(3-(三乙氧基硅烷)丙基)-四硫化物，1,2-双(三乙氧基硅基)乙烷或1,2-双(三甲氧基硅基)乙烷。

4.根据权利要求1所述的一种吸附及光催化降解功能材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂为dmf，dmso，thf中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种吸附及光催化降解功能材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中超声处理的时间为15-60min。

6.根据权利要求1所述的一种吸附及光催化降解功能材料的制备方法，其特征在于，所述催化剂为水、乙酸、三乙胺中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种吸附及光催下降解功能材料的制备方法，其特征在于，所述桥接硅氧烷与无机纳米粒子通过硅羟基的水解与无机纳米粒子表面的羟基缩合，形成杂化粒子，所述杂化粒子呈多孔状结构。

8.一种吸附及光催化降解功能材料，其特征在于，采用权利要求1-7中任意一项所述的方法制得。

9.一种如权利要求8所述的吸附及光催化降解功能材料在污水处理中的应用。

技术总结
本发明公开了一种吸附及光催化降解功能材料及其制备方法。所制备得到功能材料具有高效的吸附及可光降解性，可用于去除污染废水中的有机污染物及重金属离子。对于吸附的有机污染物可进一步在紫外光下发生降解，达到净化水及再生功能材料的作用。该方法包括以下步骤：将适量无机纳米粒子、桥接硅氧烷在溶剂中混合均匀，加入催化剂，加热反应一定时间，分离提纯后即可得到该功能材料。该方法制备的功能材料工艺简单，反应条件温和，吸附效率高，可再生性强，可与光降解协同作用，因而在污水处理领域具有极好的市场应用前景。

技术研发人员：费正东,余锦坤,汪军,史晓,钟明强
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13