一种基于松塔生物结构的多功能净水应用

本发明属于环境、材料、能源领域，具体涉及一种基于松塔生物结构的多功能净水应用。

背景技术：

1、我国松塔数量庞大，但因其堆积而具有潜在的消防隐患，并且因开发利用滞后而忽视了其背后具有的巨大经济效益和生态效益。如果能将松塔的独立三维多孔结构及优异的光热转化性能进行充分的开发利用，将其产品应用于不同种类的污水处理及净水中，不仅可以科学合理、高效环保的净化水质，而且能最大限度的利用废弃的自然资源并以较低的成本产生较高的经济效益。

2、物理吸附是物化处理污水方法中最普适的方法之一，活性炭作为基本材料被广泛应用，但由于活性炭的制备，耗材较多、对环境不友好、成本较高，开发价格低廉、环境友好的物理吸附材料迫在眉睫；生物降解有机污染物具有经济安全、处理阈值低等优点，微生物燃料电池作为一种绿色能源装置，其原理就是利用微生物的新陈代谢作用降解有机污染物，该装置最大的优势是其在降解废水的同时还能产生电能、氢能等可再生能源，能够实现有机废水的部分能源回收。其中阳极作为微生物的附着基底，其选择将影响微生物附着的菌落结构及附着量，从而直接影响污水降解效率及产能，因此阳极材料的选取十分重要。界面光热蒸发技术能够将收集的太阳辐射能转换为热能后限制在薄薄的表水层，而不是加热整个水体，使该热能可以直接、有效地被表水层吸收并利用，大幅降低了其在水体及周围环境的热损失，从而整体提高光热转换效率。光热材料为其关键组成，因此成本低廉的光热材料不可或缺。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决松塔的堆积及污水难处理的问题，提供一种基于松塔生物结构的多功能净水应用。该方法将松塔在惰性氛围中碳化为三维多孔生物炭，利用松塔的生物结构分别制备吸附、生物降解电极材料以及光热材料，分别用于物理吸附家用净水膜、微生物燃料电池生物阳极以及界面水蒸发膜，来协同推进污水净化进程。松塔作为吸附材料具有疏松多孔的三维结构、作为生物阳极拥有较高的比表面积、较好的生物兼容性及导电性，作为光热材料又具有优异的光热转换效率，且松塔来源广泛、原料价格低廉、可量化生产。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于松塔生物结构的多功能净水应用，所述应用为：

4、步骤一：收集松塔，将洗净后的松塔置于管式炉中于惰性气体氛围下进行高温碳化；

5、步骤二：具体有以下三种应用方式：

6、方式一：基于松塔的物理吸附净水应用：

7、(1)将n-甲基吡咯烷酮预热60℃-150℃，加入醋酸纤维素，待完全溶解后，取出溶液离心脱泡；

8、(2)将碳化后的松塔研磨成粉末，加入上述溶液中搅拌均匀，注入模具中，定型成膜；

9、(3)将上述步骤得到的膜作为家用净水膜组装于塔底，将研磨得到的粉状碳化松塔填充于塔柱，得到简易的家用净水塔装置；上述方法制备的塔柱可用作家用净水中。所应用的塔为自主设计的简易塔柱。

10、方式二：松塔在有机污水处理及能源回收装置中作为生物阳极的应用：

11、(1)将碳化后的松塔用钛丝贯穿或缠绕，保证良好的接触，在pbs(磷酸盐缓冲溶液)缓冲溶液中浸泡12-30h，目的是得到完全浸润于微生物燃料电池电解质的生物阳极，防止断路；

12、(2)将生物阳极与光阳极进行耦合之后组装成光催化耦合微生物燃料电池；光阳极与生物阳极耦合的目的是利用光催化高效降解有机污染物，降低污水中有机污染物对微生物燃料电池中生物阳极微生物的毒害作用；

13、方式三：基于松塔的界面水蒸发净水系统：

14、(1)将碳化的松塔研磨成粉末溶于水中，真空抽滤使其沉积于滤纸上，烘箱烘干；

15、(2)通过表面修饰硅烷试剂使其疏水得到疏水膜，该疏水膜作为蒸发膜用于界面水蒸发净水系统。疏水处理的目的是为了保证蒸发膜在污水表面；上述方法制备的蒸发膜可用于无机污水的净化处理。

16、(3)对疏水膜进行全光谱光照下界面蒸发性能测试。

17、进一步地，步骤一中，所述碳化的温度为800-1000℃，时间为1.5h-2.0h。

18、进一步地，方式一中，醋酸纤维素与n-甲基吡咯烷酮的质量比为0.16：1。

19、进一步地，方式一中，所述制备膜时所用的松塔研磨粉末为1～4g、混合所需溶液为40～80ml。

20、进一步地，方式二中，所述钛丝贯穿或者缠绕需保证与充分浸泡后的碳化松塔紧密接触，目的皆为防止电池短路。

21、进一步地，方式三中，所述松塔粉末在滤纸上的沉积需均匀密集。

22、相比于现有技术，本发明具有如下优点：

23、1、本发明将松塔通过碳化热处理获得原位n、p多原子掺杂的多孔生物炭。在保留松塔本身发达的微米级孔道的基础上使其具有较大的比表面积，适合混合菌群中各种胞外产电菌的黏附生长，具有良好的电化学活性，作为微生物燃料电池生物阳极，拥有较低的阳极电子转移阻抗和较高的输出功率。

24、2、本发明充分开发了具有商业价值的生物质能松塔，将松塔碳化为三维多孔生物炭并分别探索其在物理吸附、电化学系统以及光热转化方面的潜在价值，分别制备了物理吸附家用净水膜、微生物燃料电池生物阳极以及界面水蒸发膜来协同推进污水净化进程。三种方案的实现操作简易，原料易得，且目前尚未得到较好的商业化利用，开发前景广阔。

25、3、本发明适用于各种水质，应用范围宽泛，家用净水塔对有机染料的吸附作用效果良好，微生物燃料电池装置对有机污染物的分解处理矿化率高，太阳能驱动界面水蒸发装置对重金属离子的净化能力优越。

26、4、本发明在微生物燃料电池处理后水质仍存在微生物，如联合界面水蒸发步骤可以灭活微生物，从而得到符合饮用标准的纯净水。

27、5、本发明在微生物燃料电池中耦合了光催化，实现了光催化和生物降解的协同作用，一方面光催化可以降解污染物，减少生物毒性，另一方面微生物的进一步降解又可提高光催化的矿化率，二者协同促进。而且，微生物燃料电池的回路可以使光生电子和空穴快速分离，避免复合，提高光催化效率，而光生电子注入阴极，同时也可提高电池的功率密度。

技术特征：

1.一种基于松塔生物结构的多功能净水应用，其特征在于：所述应用为：

2.根据权利要求1所述的一种基于松塔生物结构的多功能净水应用，其特征在于：步骤一中，所述碳化的温度为800-1000℃，时间为1.5h-2.0h。

3.根据权利要求1所述的一种基于松塔生物结构的多功能净水应用，其特征在于：方式一中，醋酸纤维素与n-甲基吡咯烷酮的质量比为0.16：1。

4.根据权利要求1所述的一种基于松塔生物结构的多功能净水应用，其特征在于：方式一中，所述制备膜时所用的松塔研磨粉末为1～4g、混合所需溶液为40～80ml。

5.根据权利要求1所述的一种基于松塔生物结构的多功能净水应用，其特征在于：方式二中，所述钛丝贯穿或者缠绕需保证与充分浸泡后的碳化松塔紧密接触。

6.根据权利要求1所述的一种基于松塔生物结构的多功能净水应用，其特征在于：方式三中，所述松塔粉末在滤纸上的沉积需均匀密集。

技术总结
一种基于松塔生物结构的多功能净水应用，属于环境、材料、能源领域，所述应用利用松塔的生物结构分别制备吸附、生物降解电极材料以及光热材料，分别用于物理吸附家用净水膜、微生物燃料电池生物阳极以及界面水蒸发膜，来协同推进污水净化进程。松塔作为吸附材料具有疏松多孔的三维结构、作为生物阳极拥有较高的比表面积、较好的生物兼容性及导电性，作为光热材料又具有优异的光热转换效率。本发明利用松塔制成的三种净水系统在各自的领域都展现了其优异的性能：良好的吸附性能、优良的比表面积、生物兼容性、导电性以及高效的光热转换效率，且松塔来源广泛、制备简易、可量化生产。

技术研发人员：孙楠,刘欣鑫,潘光泽,赵小龙,颜美
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13