专利名称：纳米材料免回收高效水处理方法
技术领域：
本发明属于利用具有高效光催化作用的纳米材料对工业污水、日常废水进行净化处 理的技术，特别是一种纳米材料免回收高效水处理方法。
背景技术：
运用纳米材料高效的催化性能处理废水是纳米材料应用研究最早的领域之一，目前 一般采用将纳米粉体直接分散到废水中，利用粉体颗粒的光催化作用使废水中的有害成 分分解成为无害物质，达到治理废水的目的。水处理结束后，对其中的光催化纳米材料 通常采用膜过滤收集回收或随水一起排放。但是，越来越多的研究表明，将纳米颗粒随 水一起排放对水质、土壤和相关的生物体存在很大的安全隐患。而膜的使用又进一步增 加了废水处理的成本，且这种技术尚不成熟，要么没有孔径小于纳米材料的过滤膜，要 么其处理量很小。在实验室的研究中， 一般采用高速离心的方法使纳米材料与水溶液分 离后回收，但这在大量工业废水或日常污水的处理中根本无法实施。
这种釆用将纳米粉体直接加入废水中进行处理的常规方式存在多种弊端(1)纳米 材料直接分散到废水中，颗粒间容易发生团聚，纳米材料的功效无法充分发挥，光催化 效率低；(2)纳米材料颗粒细微很难回收，为了回收价格昂贵的纳米材料，必须投入大 量资金建立回收设备，造价高，且目前尚无完善或成熟的回收技术；G)某些遗留而无 法回收的纳米材料容易给水质造成新的污染。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米材料免回收高效水处理方法，实现纳米光催化材料 长期循环使用，避免因纳米颗粒回收不完全对水质、土壤及相关生物体所造成的二次污 染，同时提高纳米光催化材料对废水或污水中污染物的光催化降解效率。
实现本发明目的的技术解决方案为 一种纳米材料免回收高效水处理方法，步骤如
下
第一步，将具有低电子跃迁能级的高效光催化纳米材料与微米负载颗粒进行复合， 使纳米材料复合于微米颗粒表面或表面的浅孔中，形成表观粒度为微米级的纳米光催化
复合材料；第二步，选择胶粘剂，将纳米复合材料均匀地喷涂、附载于高效光催化处理污水、 废水的装置中经过酸洗的旋转叶片上；
第三步，固化处理，将喷涂有纳米光催化复合材料的旋转叶片在一定温度下进行烘 烤，使胶粘剂发生一定的固化反应，确保纳米复合材料附载的牢固性；
第四步，利用高效光催化处理污水、废水的装置对废水进行光催化处理。
本发明与现有技术相比，其显著优点为(1)不需要对光催化纳米材料进行回收， 可避免因回收纳米材料而进行额外的设备和技术的投入；(2)可以避免水处理中因纳米 材料的回收所面临的技术不成熟、设备投入巨大和回收不完全所造成的二次污染等问 题，即可避免因纳米材料回收不完全对水质、土壤及相关生物体所造成的二次污染；(3) 可很好地降低纳米光催化材料的团聚现象，显著提高其光催化降解效率(20%~70%);
(4)可广泛适用于各种工业污水和日常废水的处理，具有很好的应用前景。
具体实施例方式
本发明纳米材料免回收高效水处理方法，步骤如下
第一步，将具有低电子跃迁能级的高效光催化纳米材料与微米负载颗粒进行复合， 使纳米材料复合于微米颗粒表面或表面的浅孔中，形成表观粒度为微米级的纳米光催化
复合材料；光催化纳米材料可以为Ti02、 Si02、 ZnO或Cr203，或者是经过0.5%~5%的 过渡金属或稀土金属的掺杂后的纳米光催化材料。微米负载颗粒可以是50~100pm硅藻 土粉末或100~200^im大孔硅胶，或者是其他吸附性微米级的多孔无机颗粒。在复合材 料中，纳米光催化材料或掺杂后的纳米材料的质量百分比为5%~10%。
第二步，选择胶粘剂，将纳米复合材料均匀地喷涂、附载于高效光催化处理污水、 废水的装置中经过酸洗的旋转叶片上；粘合剂是经过稀释1~10倍的工业水玻璃或者硅 酸盐粘合剂。硅酸盐粘合剂组成为含硅酸钠35%~45%的水溶液75~85份，尿素2~10 份，糖0.5 3份，重铬酸钠0.1-1份，硫酸镁1 4份，白土0 8份，水100份。对高效 光催化处理污水、废水的装置中的旋转叶片酸洗所采用的酸是5%的盐酸或5%的稀硫 酸。第三步，固化处理，将喷涂有纳米光催化复合材料的旋转叶片在一定温度下进行烘 烤，使胶粘剂发生一定的固化反应，确保纳米复合材料附载的牢固性；将纳米光催化复 合材料喷涂于旋转叶片上，采用以空气压縮机为动力的喷枪，喷嘴口径60.5mm~ 4) 1.3mm，压縮机气压为0.2MPa 0.8MPa。纳米光催化复合材料在高效光催化处理污水、 废水的装置旋转叶片上的喷涂量为50~150g/m2。喷涂有纳米光催化复合材料的旋转叶片 的热处理是由室温开始，以升温速率为O.rC/min升温到70°C，并保持20~24h。
第四步，利用高效光催化处理污水、废水的装置对废水进行光催化处理。
实施例1
将10g光催化纳米二氧化钛分散于1000ml无水乙醇中，添加0.5%的硅烷偶联剂， 超声波分散5min;添加70'C干燥24h的50~100nm硅藻土颗粒190g，搅拌反应30min; 过滤，70。C干燥2h;即得纳米二氧化钛与微米硅藻土的复合材料粉末。
将高效光催化处理污水、废水的装置[专利号200620126044.X]中的旋转叶片进行清 理，接着用5%是稀盐酸清洗，再用去离子水洗2遍，7(TC干燥2h;然后将高效光催化 处理污水、废水的装置旋转叶片浸于稀释5倍的水玻璃水溶液中lmin后取出，立即利 用0.6MPa压縮空气和4)0.8mm喷嘴的喷枪在前述叶片上喷涂纳米复合材料粉末，喷涂 量控制为100g/m、最后将高效光催化处理污水、废水的装置旋转叶片在7(TC干燥24h 后(由室温开始的升温速率为O.rC/min)安装与高效光催化处理污水、废水的装置的 装置上。
在高效光催化处理污水、废水的装置中水槽中加入100mg/L甲基橙溶液1000ml， 启动电机，调整叶片旋转速度为20转/min;对废水处理3h，测试水中甲基橙含量为 4.3mg/L;取100ml处理后溶液，高速(12000转/min)离心10min，在离心管底部未发 现有任何形式的颗粒物或沉淀物。采用分光光度法检测，与光催化纳米二氧化钛直接投 入废水中相比，甲基橙的降解效率提高40%。
实施例2
将5g光催化纳米二氧化钛分散于500ml无水乙醇中，添加0.5%的硬脂酸，超声波 分散5min;添加70。C干燥24h的100~200nm大孔硅胶颗粒95g，搅拌反应30min;过滤，7(TC干燥2h;即得纳米二氧化钛与微米大孔硅胶的复合材料粉末。
将高效光催化处理污水、废水的装置中的旋转叶片进行清理，接着用5%是稀盐酸 清洗，再用去离子水洗2遍，70'C干燥2h;然后将高效光催化处理污水、废水的装置旋 转叶片浸于稀释5倍的水玻璃水溶液中lmin后取出，立即利用0.4MPa压縮空气和 d)0.5mm喷嘴的喷枪在前述叶片上喷涂纳米复合材料粉末，喷涂量控制为100g/m2;最 后将高效光催化处理污水、废水的装置旋转叶片在7(TC干燥24h后(由室温开始的升温 速率为0.rC/min)安装与高效光催化处理污水、废水的装置的装置上。
在高效光催化处理污水、废水的装置中水槽中加入200mg/L甲基兰溶液2000ml， 启动电机，调整叶片旋转速度为10转/min;对废水处理3h，测试水中甲基兰含量为 10.8mg/L;取100ml处理后溶液，高速(12000转/min)离心10min，在离心管底部未 发现有任何形式的颗粒物或沉淀物。采用分光光度法检测，与光催化纳米二氧化钛直接 投入废水中相比，甲基兰的降解效率提高23%。
实施例3
将10g光催化纳米Cr2O3分散于1000ml无水乙醇中，添加0.5%的硬脂酸，超声波 分散5min;添加70。C干燥24h的100~200pm大孔硅胶颗粒190g，搅拌反应30min;过 滤，7(TC干燥2h;即得纳米0"203与微米大孔硅胶的复合材料粉末。
将高效光催化处理污水、废水的装置中的旋转叶片进行清理，接着用5%是稀盐酸 清洗，再用去离子水洗2遍，7(TC干燥2h;然后将高效光催化处理污水、废水的装置旋 转叶片浸于硅酸盐粘合剂中lmin后取出，立即利用0.6MPa压縮空气和4)0.8mm喷嘴 的喷枪在前述叶片上喷涂纳米复合材料粉末，喷涂量控制为100g/m2;最后将高效光催 化处理污水、废水的装置旋转叶片在7(TC干燥24h后(由室温开始的升温速率为 O.rC/min)安装于高效光催化处理污水、废水的装置的装置上。硅酸盐粘合剂组成为 含硅酸钠35%~45%的水溶液75~85份，尿素2~10份，糖0.5~3份，重铬酸钠0.1-1份， 硫酸镁1 4份，白土0 8份，水100份，上述的份为质量分数。
在高效光催化处理污水、废水的装置中水槽中加入200mg/L甲基兰溶液2000ml， 启动电机，调整叶片旋转速度为10转/min;对废水处理3h，测试水中甲基兰含量为 10.2mg/L;取100ml处理后溶液，高速(12000转/min)离心10min，在离心管底部未发现有任何形式的颗粒物或沉淀物。采用分光光度法检测，与光催化纳米Cr203直接投 入废水中相比，甲基兰的降解效率提高35%。 实施例4
将10g掺杂有2%铁元素的光催化纳米二氧化钛分散于1000ml无水乙醇中，添加 0.5。/。的硅烷偶联剂，超声波分散5min;添加7(TC干燥24h的50~100^un硅藻土颗粒190g， 搅拌反应30min;过滤，7(TC干燥2h;即得掺杂纳米二氧化钛与微米硅藻土的复合材料 粉末。
将高效光催化处理污水、废水的装置中的旋转叶片进行杂物清理，接着用5%是稀 盐酸清洗，再用去离子水洗2遍，7(TC干燥2h;然后将高效光催化处理污水、废水的装 置旋转叶片浸于硅酸盐粘合剂中lmin后取出，立即利用0.4MPa压縮空气和4)0.5mm 喷嘴的喷枪在前述叶片上喷涂纳米复合材料粉末，喷涂量控制为100g/m2;最后将高效 光催化处理污水、废水的装置中旋转叶片在7(TC干燥24h后(由室温开始的升温速率为 O.rC/min)安装于高效光催化处理污水、废水的装置的装置上。硅酸盐粘合剂组成为 含硅酸钠35%~45%的水溶液75~85份，尿素2~10份，糖0.5-3份，重铬酸钠0.1-1份， 硫酸镁1 4份，白土0 8份，水100份。
在高效光催化处理污水、废水的装置中水槽中加入100mg/L甲基橙溶液1000ml， 启动电机，调整叶片旋转速度为10转/min;对废水处理3h，测试水中甲基橙含量为 3.5mg/L;取100ml处理后溶液，高速(12000转/min)离心10min，在离心管底部未发 现有任何形式的颗粒物或沉淀物。采用分光光度法检测，与掺杂的纳米二氧化钛直接投 入废水中相比，甲基橙的降解效率提高70%。
8
权利要求
1、一种纳米材料免回收高效水处理方法，步骤如下第一步，将具有低电子跃迁能级的高效光催化纳米材料与微米负载颗粒进行复合，使纳米材料复合于微米颗粒表面或表面的浅孔中，形成表观粒度为微米级的纳米光催化复合材料；第二步，选择胶粘剂，将纳米复合材料均匀地喷涂、附载于高效光催化处理污水、废水的装置中经过酸洗的旋转叶片上；第三步，固化处理，将喷涂有纳米光催化复合材料的旋转叶片在一定温度下进行烘烤，使胶粘剂发生一定的固化反应，确保纳米复合材料附载的牢固性；第四步，利用高效光催化处理污水、废水的装置对废水进行光催化处理。
2、 根据权利要求1所述的纳米材料免回收高效水处理方法，其特征在于光催化 纳米材料为Ti02、 Si02、 ZnO或Cr203，或者是经过0.5%~5%的过渡金属或稀土金属的 掺杂后的纳米光催化材料。
3、 根据权利要求1所述的纳米材料免回收高效水处理方法，其特征在于微米负 载颗粒是50~100|am硅藻土粉末或100~200nm大孔硅胶，或者是其他吸附性微米级的多 孔无机颗粒。
4、 根据权利要求l、 2或3所述的纳米材料免回收高效水处理方法，其特征在于 在复合材料中，纳米光催化材料或掺杂后的纳米材料的质量百分比为5%~10%。
5、 根据权利要求1所述的纳米材料免回收高效水处理方法，其特征在于粘合剂 是经过稀释1 10倍的工业水玻璃或者硅酸盐粘合剂。
6、 根据权利要求5所述的纳米材料免回收高效水处理方法，其特征在于采用的 硅酸盐粘合剂组成为含硅酸钠35%~45%的水溶液75~85份，尿素2 10份，糖0.5 3 份，重铬酸钠0.1 1份，硫酸镁1 4份，白土0 8份，水100份。
7、 根据权利要求1所述的纳米材料免回收高效水处理方法，其特征在于将纳米光催化复合材料喷涂于旋转叶片上，采用以空气压縮机为动力的喷枪，喷嘴口径4>0.5mm~ 4>1.3mm，压縮机气压为0.2MPa 0.8MPa。
8、 根据权利要求1或7所述的纳米材料免回收高效水处理方法，其特征在于纳米光催化复合材料在高效光催化处理污水、废水的装置旋转叶片上的喷涂量为50~150g/m2。
9、 根据权利要求1或7所述的纳米材料免回收高效水处理方法，其特征在于喷 涂有纳米光催化复合材料的旋转叶片的热处理是由室温开始，以升温速率为O.rC/min 升温到7(TC，并保持20 24h。
10、 根据权利要求1或7所述的纳米材料免回收高效水处理方法，其特征在于对 高效光催化处理污水、废水的装置中的旋转叶片酸洗所采用的酸是5%的盐酸或5%的稀 硫酸。
全文摘要
本发明公开了一种纳米材料免回收高效水处理方法。该方法包括纳米光催化材料与微米负载颗粒的复合，使用特殊粘合剂对纳米复合材料在高效光催化处理污水、废水的装置旋转叶片上进行均匀固载和利用高效光催化处理污水、废水的装置的装置对污水、废水进行光催化降解处理三个阶段。本发明不需要对光催化纳米材料进行回收，可避免因回收纳米材料而进行额外的设备和技术的投入；可以避免水处理中因纳米材料的回收所面临的技术不成熟、设备投入巨大和回收不完全所造成的二次污染等问题，即可避免因纳米材料回收不完全对水质、土壤及相关生物体所造成的二次污染；可很好地降低纳米光催化材料的团聚现象，显著提高其光催化降解效率。
文档编号C02F1/30GK101503230SQ200810020528
公开日2009年8月12日 申请日期2008年2月4日 优先权日2008年2月4日
发明者于永洲, 刘宏英, 炜 姜, 宋洪昌, 李健生, 李凤生, 毅 杨, 王起伟, 王连军, 白华萍, 邓国栋, 顾志明 申请人:南京理工大学