[发明专利]一种用于污水处理的3D打印多功能化滤膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于3D打印技术制备的气凝胶，并以此制备了一种用于污水处理的3D打印多功能化滤膜，是将氧化石墨烯、硝酸银、海藻酸钠混合溶液先水浴加热以生成纳米银，然后通过3D打印、冻干后再交联形成复合材料，并提供了其制备方法和应用。本发明应用3D打印技术制备了复合材料，其能够简化滤水材料的制备流程，具有尺寸可控、规模化、高通量、经济高效及绿色环保等优点。本发明所打印的滤膜生物安全性高，具有良好的抗菌性能、高效的油水分离性能和优异的污物过滤功能，可以有效除去水中污染物质。同传统滤水方法相比，该滤膜能大大提高污水处理的效率，改善污水过滤的效果并降低其成本。

技术领域

本发明属于水处理的滤膜材料技术领域，具体涉及一种新型、多功能滤膜的3D打印技术，该技术主要以海藻酸钠、纳米银、氧化石墨烯为主要原材料，采用3D打印技术打印具有杀菌、油水分离及污水过滤多功能性于一体的滤膜及其制备方法。

背景技术

水是人类生存发展所需要的重要资源，由于人类工业，农业和生活活动日益频繁，使水中混入各种有害物质，造成水污染。污水中含有大量的重金属、有害有机物、酸碱物质、悬浮物、植物营养物、放射性物质、油类、病原体等，其中病原微生物可在人体内进行生长繁殖并释放毒性物质；细小悬浮颗粒物可在支气管和肺泡中沉积，严重威胁人类生命安全。此外，油可形成油层覆盖水面而阻碍水与大气的正常空气交换，造成水下生态环境的改变。有报道称，未来数十年内用水污染问题将进一步恶化，成为紧迫的全球性问题。因此，如何去除污水悬浮物，实现污水油水分离和高效污水灭菌目前已成为研究的重点。

目前，对污水去悬浮，油水分离和灭菌的处理方法主要有物理法(吸附法、高能物理法、超声气振法、萃取法和膜分离技术等)，化学法(絮凝沉淀法、化学氧化法、电化学法及光化学氧化法等)，生物法(菌体絮凝、吸附和降解等)。其中膜分离技术因操作简单、能耗低、效率高等优点，在污水净化领域中受到了越来越多地关注。

膜分离技术具有灵活加工的特点，可在膜结构中加入抗菌成分实现杀菌。银(Silver， Ag)具有广抗菌谱，对多种病原微生物均可高效杀灭，且不会诱导微生物耐药，是适宜性良好的抗菌材料，其抗菌机制主要与改变细胞膜通透性、损伤细菌DNA等有关。纳米银 (Nano Silver，AgNPs)与银单质相比有更大的比表面积，因而表现出更卓越的抗菌效果。纳米银合成技术愈发成熟，其中利用多糖反应较为突出，Li等人仅用海藻酸钠(SodiumAlginate,SA)和硝酸银制备出了纳米银。

用于油水分离的材料主要是超湿材料，这种材料高效，节能并具有良好的选择性。Yang等将聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)与全氟辛酸钠(PFO)反应，制得的聚合物层并喷涂到钢网上来制造超亲水和水下超疏油网。但是目前大多研究尚处于低通量、高成本、难回收、不稳定、功能单一的阶段，不能大规模制造。海藻酸盐(Alginate)是由(1，4)-连接的α-L-古洛糖醛酸单元(G-嵌段)和β-D-甘露糖醛酸单元(M-嵌段)组成的多糖，由它制备的气凝胶具有水下超疏油特性，且相比于传统油水分离技术(包括重力分离、过滤、离心、浮选和电化学方法)具有成本低廉，原料环保和方法简单等优点。但单纯的海藻酸盐气凝胶机械性能差，无法抵挡较大的水流冲击。为解决此问题， Li等人将氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)混入气凝胶，显著提升藻酸盐的力学强度并保持其原有油水分离性能。另外，Tang等人还证明石墨烯与其他金属或金属氧化物等材料复合后，可明显提升其抗菌效果。