[发明专利]一种吸附和降解微塑料的双功能碳纤维膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种同时吸附和降解微塑料的双功能氧化物‑碳纤维膜的制备方法，是将质量比为1:0.01～0.5的胺肟修饰的聚丙烯腈纤维膜(胺肟基团的含量为0.5～15wt％)与金属盐在水热条件下进行自组装反应后煅烧得到双功能氧化物‑碳纤维膜；金属盐为TiCl₄、Ti(OC₄H₉)₄、H₂WO₄、Zn(NO₃)₂·6H₂O、Zn(Ac)₂·2H₂O、ZnSO₄·7H₂O、SnCl₄·3H₂O和Nb(C₂O₄)·5H₂O中的一种以上；制得的双功能氧化物‑碳纤维膜由PAN基碳纤维膜和表面包覆石墨层的金属氧化物纳米颗粒(平均粒径为5～20nm)组成；以该膜为光催化反应膜，可以实现光催化降解微塑料。

技术领域

本发明属于光催化环境修复技术领域，涉及一种吸附和降解微塑料的双功能碳纤维膜及其制备方法。

背景技术

自1950年塑料产业的兴起以来，全球迎来了塑料制品的大爆发，塑料制品的年产量从1950年的2Mt激增至2015年的380Mt。如果不进行有效控制，这个数字将会持续增长。塑料的生产和使用过程中，会产生大量的尺寸小于5微米的微塑料碎片。在工业生产和日常生活中，大量的微塑料被产生并直接进入自然环境。由于微塑料的化学惰性和非生物可降解性，这些进入到自然环境的微塑料会长期在土壤、河流、海洋中积累。最近的研究中，大多数动植物如蚯蚓、藻类、鱼类、虾类等体内都被检测出微塑料。这是由于微塑料尺寸很小，因而易于被大量水生生物广泛的摄入。小尺寸的微塑料对血液、淋巴系统、肝脏、肠道等器官的“入侵”将会干扰生物的生长、发育和繁殖。例如，肠道中的微塑料可能影响消化系统的免疫反应。此外，微塑料的小尺寸和高比表面积使之成为了自然界中有机污染物和重金属的携带者，严重的危害了动植物以及人类的生存。更加令人担忧的是，这样潜在的毒性风险可能扩散到整个食物链。因此，去除微塑料从而实现水体净化具有重要意义。

目前，国内微塑料污染治理领域存在较大的空白，现存的方法技术具有较大的提升和优化空间。专利(CN110559995A)公开了一种采用三维石墨烯吸附水中聚苯乙烯微塑料的方法。虽然该专利中所制备的三维石墨烯可以用将水中的聚苯乙烯微塑料吸附，但是没有实现微塑料的降解，无法彻底的解决微塑料污染问题。专利(CN111018065A)报道了一种水中微塑料丙烯酸酯类共聚物的絮凝处理方法。专利采用硫酸铝或氧化钙作为絮凝剂，通过控制絮凝剂添加量、絮凝温度和快速搅拌、慢速搅拌、静置沉淀等过程，去除水样中微塑料丙烯酸酯类共聚物。现有的专利所公开的技术中，所述的“去除”实际上只是将微塑料从水体中分离出来，而没有将微塑料彻底的降解。

光催化技术是利用光来激发半导体材料，利用它们光生电子和电子被激发而跃迁后产生的光生空穴对目标产物进行氧化或还原。其原理为：当一束能量大于或等于能带间隙的光照射到半导体材料上时，其价带中的电子将被激发而跃迁到导带，而价带上则留下相对稳定的空穴，从而形成电子—空穴对。近年来，由于光催化可以直接用空气中的氧气做氧化剂，反应可在常温差压下进行，可以将有机污染物彻底矿化为二氧化碳、水以及其他无机离子，因而被认为是一种绿色、高效、可持续的污染物处理策略。文献(PhotocatalyzingWaste Plastics into C2 Fuels under Simulated Natural Environments,Angew.Chem.Int.Ed.2020,59,1-6)制备了超薄Nb₂O₅纳米片用于光催化产生并活化双氧水实现了对废塑料的降解，并证明了光催化产生的^·OH具有氧化降解微塑料的能力。但是，由于氧化性自由基的半衰期都很短(几微秒到几十微秒)，因而非均相体系催化过程中自由基和微塑料的传质扩散会导致自由基的利用率下降，最终导致降解效率的下降。

发明内容