[发明专利]生物炭基叶角质仿生膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种生物炭基叶角质仿生膜及其制备方法和应用，该生物炭基叶角质仿生膜包括由膜表面到膜中心的方向上依次排布的仿蜡质层、仿角质层和仿角碳层，所述仿蜡质层用于渗透疏水有机污染物而排阻水分、盐、腐殖质等干扰物质，所述仿角质层含有脂肪碳为主的生物炭，所述仿角碳层含有石墨化碳为主的生物炭。本发明生物炭基叶角质仿生膜选择性吸附和催化氧化有机污染物(HOC)用于复杂环境有机污染的修复。

技术领域

本发明涉及环境有机污染修复技术领域，特别是涉及生物炭基叶角质仿生膜及其制备方法和应用。

背景技术

复杂地下水和土壤系统修复在实际应用中面临技术和经济挑战。传统的物理和化学方法，如泵处理、吸附和高级氧化工艺(AOPs)，由于以下限制，难以有效实施。首先，地下水和土壤污染修复受到共存物质的干扰的修复。例如，天然有机物(NOMs)覆盖了修复剂的活性位点，使其无效。此外，许多有毒有机化合物和新出现的污染物是疏水的，难以从地下提取，因此依赖于水力控制的方法大多无法实现修复。

将膜技术与吸附和AOPs相结合，为去除或降解这些有毒污染物提供了一种新的策略。聚二甲基硅氧烷(PDMS)橡胶管由于其对有机化学品的渗透性和对无机、水和大分子(如NOM)的不渗透性，已被用于膜萃取过程。然而，这种膜萃取工艺表现出低污染的传质，传质系数为10^-7m/s。碳基材料，如生物炭，作为一种有效的吸附剂，在去除HOCs方面一直受到关注。Ghaffar等人(2018)报道了一种生物炭复合膜，表明对罗丹明B染料有很好的吸附能力，并通过过滤对细菌悬浮液有很高的保留能力。然而，吸附-过滤过程仅仅是将污染物从一相转移到另一相，而不是转化为无害的最终产物。催化膜(CM)对污染物进行浓缩并降解是一种很有前途的策略。可以锚定并回收催化剂的CM与AOPs相结合，能充分利用催化活性位点，避免催化剂团聚，从而有效地吸附和活化过氧化物前体。然而，由于高渗透性，多孔的CM不能阻止孔隙和催化剂活性位点受污垢污染。因此，需要一种简便的制备方法从NOM中选择疏水污染物，并对其进行浓缩和降解。

申请号为2021116688030的发明专利公开了一种选择性分离催化膜及其制备方法和在土水修复中的应用。该选择性分离催化膜同样具有分层结构，但该膜由膜表面到膜中心的方向上依次使用了多种膜材料，成分复杂；制备非一步成型，具有多级膜分层的潜在风险；起催化作用的为掺杂的多孔钴基非均相催化剂，不稳定且存在环境风险；未针对污染物传质进行特定的膜结构设计，因此传质能力依然无法满足实际应用要求。

植物表面覆盖着连续但异质的角质层，在吸收和运输有机污染物方面表现良好。HOC渗透的驱动力归因于具有不同亲脂性的表皮间室内源性建立的浓度梯度。具体来说，植物叶片中的角质和角碳，被称为脂肪族部分和芳香核心，有助于角质层膜的高吸附能力。当典型的HOC菲(PHE)扩散到角质层基质的中间层时，PHE对多聚脂类(角质层和角质层)的强亲和力是驱动PHE在角质层中扩散吸收的梯度的重要因素。受叶片角质层启发，理想的能用于复杂环境选择性吸附和催化作用的仿生膜仿生膜应满足以下三点：1)可选择性提取目标有机污染但不渗透NOM和水；2)能实现良好的污染物在膜上的传质和廉价高效的实际应用；3)考虑到非金属多相催化剂，氧化区应该具有共轭π体系和丰富杂原子的特征。同时，其边缘在催化过程中不容易被氧化。但是相应的技术并未得到开发。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题，并提供一种生物炭基叶角质仿生膜及其制备方法和应用。本发明提供的生物炭基叶角质仿生膜可选择性吸附和催化氧化有机污染物(HOC)用于复杂环境有机污染的修复。

为了实现上述发明目的，本发明拟采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种生物炭基叶角质仿生膜，用于选择性吸附和催化氧化环境中的有机污染物，它由仿蜡质层、仿角质层和仿角碳层顺序叠加复合而成；

其中所述仿蜡质层为平均孔径小于200纳米的聚二甲基硅氧烷膜层，用于选择性渗透疏水有机污染物而排阻其他干扰物质；