一种污水处理用压电泡沫陶瓷过滤器的制备方法
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，具体涉及一种污水处理用压电泡沫陶瓷过滤器的制备方法。
背景技术
在工业废水中存在着大量的有色有机化合物，这些有机物在水中的含量高、成分复杂、色度深、水质变化大，可能导致严重的水体污染和健康问题。并且，随着化工行业的发展，各种抗氧化、抗光解、耐酸碱腐蚀和抗微生物降解的新型染料被陆续生产出来，导致印染废水的处理难度和处理成本被大大提高。
目前，国内外处理工业废水中的有色有机物的方法主要分为三类，物理、化学和生物处理方法。一些去除有色有机化合物常用的物理方法如活性炭吸附、超滤、反渗透、化学絮凝、离子交换等等都没有对有机物分子进行降解，它们只是一种对污染物的富集过程，因此还会产生二次污染，结果仍需要耗费大量资金进一步再生吸附剂和固体废物进行后续处理。化学法所使用的催化材料只能使用一次，不能循环使用，导致处理成本较高。而生物学方法的适用范围较小，因为现代染料的稳定性较高且大多数工业染料含有具有生物毒性的化合物，导致生物降解方法的处理效果和速率并不理想。
泡沫陶瓷是多孔材料的一种，它具备三维立体网状结构和高孔隙率特征。由于泡沫陶瓷的这种特殊结构，使其具有密度小、气孔率高、比强度高、抗热振性好、耐高温等优点。因此泡沫陶瓷被广泛应用于气体液体过滤、净化分离、化工催化、吸声减震、高级保温材料、生物植入材料及特种强体材料和传感器等多方面。
压电材料可以将机械能转化为电能，通过原位压电化学反应过程来降解有害污染物。一些典型的压电材料。如BaTiO3、Pb(Zr0.52Ti0.48)O3和ZnO已经被证明是在机械振动驱动力下分解H2O或降解有机污染物的有效压电催化剂(Enhancement effect in thepiezoelectric degradation of organic pollutants by piezo-Fentonprocess.Journal of Chemical Technology&Biotechnology,2017 92(1):152-156)。
本发明将0.94K0.5Na0.5NbO3-0.06LiNbO3压电材料制成压电泡沫陶瓷，KNLN压电材料组分处在相界处，压电活性最高。一方面，通过振动防止泡沫陶瓷过滤的固体沉积在陶瓷表面堵塞泡沫陶瓷孔隙，增强其过滤效率。另一方面，使用压电陶瓷作为泡沫陶瓷的主体材料，通过振动产生原位压电化学反应降解有害污染物。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种污水处理用压电泡沫陶瓷过滤器的制备方法，通过将KNLN基陶瓷的压电性能和泡沫陶瓷的制备方法相结合，制备出KNLN基泡沫陶瓷并集成压电振动系统，从而获得具有高过滤效率并具有降解污染物功能的压电泡沫陶瓷过滤器。
本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种污水处理用压电泡沫陶瓷过滤器的制备方法，所述方法包括以下步骤，
1)、称量Na2CO3、K2CO3、Nb2O5、Li2CO3摩尔比为1.01：1.01：2：(0.05～0.15)用于合成KNLN；
2)、向步骤1)中的化学药品中加入聚乙烯醇水溶液和甲基纤维素水溶液；混合，加入聚丙烯酰胺水溶液，并将其混合；
3)、将软质聚氨酯泡沫浸入氢氧化钠溶液中，水解，清洗，晾干；
4)、将处理后的聚氨酯泡沫浸入制备的浆料中；然后挤压聚氨酯泡沫去除多余浆料，干燥；重复上述涂覆和干燥过程，直至获得涂覆均匀、无堵塞的物体；
5)、将制得的物体预烧、烧结；
6)、将烧结后的陶瓷极化；
7)将极化的压电泡沫陶瓷、印刷有银导线的陶瓷板以及压电振子组装，接通电源，测其过滤效率(0％～95％)。
优选的，所述步骤2)中化学药品与聚乙烯醇水溶液和甲基纤维素水溶液的混合液的质量比为2：1，聚乙烯醇水溶液质量分数为10wt％，甲基纤维素水溶液质量分数为5wt％，聚丙酰胺水溶液质量分数为2wt％。
优选的，所述步骤3)中氢氧化钠溶液质量分数为15wt％，水解温度为40～60℃，水解时间为2～6h。
优选的，所述步骤5)中预烧温度为600℃、加热速度为10℃/min、保温1h，烧结温度为1050℃、加热速度10℃/min、保温时间0.5～2h。
优选的，所述步骤6)中压电泡沫陶瓷极化时间15min～60min，极化场强2kV～3kV。
优选的，将泡沫陶瓷与压电振动系统结合。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)本发明将泡沫陶瓷与压电振子结合，通过振动使得固体杂质不会聚集在泡沫陶瓷表面，避免泡沫陶瓷被堵塞，延缓了泡沫陶瓷通量的减少，从而增加了过滤效率。
(2)本发明将压电材料制成压电泡沫陶瓷，实现了降解有机污染物的功能，并通过压电振子的振动实现力-电转换，大大增强了压电催化的效率。
综上所述，本发明制备工艺简便、经济合理、可多次重复使用，适合规模化工业生产，对于提高泡沫陶瓷过滤效率及催化降解有机污染物方面具有重要意义。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为装有压电振动系统的泡沫陶瓷过滤器示意图。
图2为拆掉上半部外壳后的泡沫陶瓷过滤器示意图。
图3为KNLN无铅压电泡沫陶瓷的XRD图。
图4为实例2的有机污染物罗丹明B催化降解效果图((a)为过滤前，(b)为过滤后)。
图5为实例3和实例4通量变化曲线图。
附图标注：1、压电振子，2、外壳，3、O型圈，4、陶瓷片，5、泡沫陶瓷，6、污水，7、过滤/降解后的污水。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1：
1)称量Na2CO3、K2CO3、Nb2O5、Li2CO3摩尔比为1.01：1.01：2：0.07用于合成KNLN。向上述化学药品中加入药品与溶液质量比为2：1的10wt％聚乙烯醇水溶液和的5wt％甲基纤维素水溶液。将药品和溶液充分混合，再加入2wt％聚丙烯酰胺水溶液，并将其充分混合。
2)将软质聚氨酯泡沫浸入15wt％氢氧化钠溶液中，60℃水解处理6h去除网络间膜，并清洗晾干。
3)将处理后的聚氨酯泡沫浸入制备的浆料中。然后挤压聚氨酯泡沫去除多余浆料，并放入干燥箱干燥。重复上述涂覆和干燥过程，直至获得涂覆均匀、无堵塞的物体。
4)将制得的物体放入马弗炉中以10℃/min的加热速度加热至600℃，保温1h后继续以10℃/min的加热速度加热至1000℃，保温2h后随炉冷却至室温，以待实验。
5)降解过程中只有泡沫陶瓷，罗丹明B溶液的浓度为5mg/L,测得其过滤效率为20％。
实施例2：
1)称量Na2CO3、K2CO3、Nb2O5、Li2CO3摩尔比为1.01：1.01：2：0.07用于合成KNLN。向上述化学药品中加入药品与溶液质量比为2：1的10wt％聚乙烯醇水溶液和的5wt％甲基纤维素水溶液。将药品和溶液充分混合，再加入2wt％聚丙烯酰胺水溶液，并将其充分混合。
2)将软质聚氨酯泡沫浸入15wt％氢氧化钠溶液中，60℃水解处理6h去除网络间膜，并清洗晾干。
3)将处理后的聚氨酯泡沫浸入制备的浆料中。然后挤压聚氨酯泡沫去除多余浆料，并放入干燥箱干燥。重复上述涂覆和干燥过程，直至获得涂覆均匀、无堵塞的物体。
4)将制得的物体放入马弗炉中以10℃/min的加热速度加热至600℃，保温1h后继续以10℃/min的加热速度加热至1050℃，保温2h后随炉冷却至室温。
5)将制得的泡沫陶瓷在2kV的电场下极化1h，然后与压电振动系统结合。
6)将压电振动系统接通电源，罗丹明B溶液的浓度为5mg/L,测得其过滤效率为90％。
实例3：
1)称量Na2CO3、K2CO3、Nb2O5、Li2CO3摩尔比为1.01：1.01：2：0.07用于合成KNLN。向上述化学药品中加入药品与溶液质量比为2：1的10wt％聚乙烯醇水溶液和的5wt％甲基纤维素水溶液。将药品和溶液充分混合，再加入2wt％聚丙烯酰胺水溶液，并将其充分混合。
2)将软质聚氨酯泡沫浸入15wt％氢氧化钠溶液中，60℃水解处理6h去除网络间膜，并清洗晾干。
3)将处理后的聚氨酯泡沫浸入制备的浆料中。然后挤压聚氨酯泡沫去除多余浆料，并放入干燥箱干燥。重复上述涂覆和干燥过程，直至获得涂覆均匀、无堵塞的物体。
4)将制得的物体放入马弗炉中以10℃/min的加热速度加热至600℃，保温1h后继续以10℃/min的加热速度加热至1050℃，保温2h后随炉冷却至室温。
5)过滤过程中只有泡沫陶瓷，腐殖酸溶液浓度为4mg/L,测得其通量减少量为在实验开始的5min内，通量下降为初始的18％，10min时降为10％，随后通量基本保持不变。
实例4：
1)称量Na2CO3、K2CO3、Nb2O5、Li2CO3摩尔比为1.01：1.01：2：0.07用于合成KNLN。向上述化学药品中加入药品与溶液质量比为2：1的10wt％聚乙烯醇水溶液和的5wt％甲基纤维素水溶液。将药品和溶液充分混合，再加入2wt％聚丙烯酰胺水溶液，并将其充分混合。
2)将软质聚氨酯泡沫浸入15wt％氢氧化钠溶液中，60℃水解处理6h去除网络间膜，并清洗晾干。
3)将处理后的聚氨酯泡沫浸入制备的浆料中。然后挤压聚氨酯泡沫去除多余浆料，并放入干燥箱干燥。重复上述涂覆和干燥过程，直至获得涂覆均匀、无堵塞的物体。
4)将制得的物体放入马弗炉中以10℃/min的加热速度加热至600℃，保温1h后继续以10℃/min的加热速度加热至1050℃，保温2h后随炉冷却至室温。
5)将制得的泡沫陶瓷与压电振动系统结合。
6)将压电振动系统接通电源，腐殖酸溶液浓度为4mg/L,测得其通量减少量为在实验开始5min通量下降为初始值的38％，10min下降为25％，并在60min内逐渐下降至12％，随后通量基本保持不变。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。
