[发明专利]制备芯壳杂化材料的方法

说明书

本发明涉及制备由被介孔二氧化硅溶胶‑凝胶壳包围的活性碳核组成的芯‑壳杂化材料的方法，所述方法包括在活性炭颗粒周围形成介孔二氧化硅溶胶‑凝胶壳。

技术领域

本发明涉及由被基于二氧化硅的纳米多孔溶胶-凝胶材料层包围的活性碳芯组成的芯-壳杂化材料的制备，并且本发明还涉及芯-壳杂化材料本身。这些材料可用于过滤领域，特别是用于过滤水和空气。

背景技术

可利用的软水仅占地球水的0.26％，并且其数量几乎保持不变。就人口而言，其不断增加，对水的需求正在快速增长。根据世界卫生组织(WHO)的报告，2014年仍有7.48亿人无法获得饮用水，且18亿人被认为使用受粪便污染的不安全水[1]。此外，根据Bureau deRecherches Géologiques et Minières[法国地质调查][2]的预测，到2025年，世界上63％的人口可能正在遭受水资源短缺。有必要对海水进行淡化并使废水回收以制造饮用水。这些处理方法已经存在，但对发展中国家而言过于昂贵。

在发达国家，用于提供饮用水的地表水的常规处理涉及几个步骤，包括凝结、沉淀、过滤和消毒。通过添加凝结剂进行的凝结使得可以聚集溶解或悬浮在水中的颗粒，其将在分离罐中沉淀并分离出来。过滤涉及几个步骤，包括首先用沙子过滤，这使得可以去除悬浮中的最终颗粒。然后用臭氧和活性炭处理以破坏并捕获总有机化合物(TOC)。在该步骤中，尺寸小于100nm的化合物可能仍然存在于水中。为了去除病毒和有机化合物，使用膜过滤，例如超滤或纳滤。类似于纳滤的超滤允许微污染物通过，诸如杀虫剂、药物残留物和其他有机化合物，其中有大约5000种不同的产品。

某些微污染物能够与用于消毒水的氯反应，以形成消毒副产物(称为“新兴污染物”)，其具有毒性和/或致癌性，诸如氯胺、亚硝胺和三卤代烷烃。

尽管发达国家饮用水所需的标准在总有机化合物浓度方面是极其严格的([TOCs]<2ppm)[3]，但是长期来看，每日消耗被痕量或超痕量药物残留物(包括抗生素)、杀虫剂或性激素污染的水可能诱发对健康有害的影响。

因此，有必要进一步降低饮用水中总有机化合物的含量。反渗透是去除小有机分子的最有效方法，但是由于施加高压以使水通过包含非常小的孔的半透膜，其在能量方面的成本也是最高的。最近几年出现了关于使用复合膜来除去有机化合物的直接渗透的研究，但渗透特别用于海水脱盐。

目前，活性炭广泛用于水的净化。但是，就其本身而言，在来自工业领域的小极性分子(甲醛、乙醛、甲基酮和乙基酮)和新的有机污染物(诸如杀虫剂(草甘膦)、(人或动物来源的)药物残留物或微污染物(氯仿、二氯甲烷、乙腈、二甲基甲酰胺、异丙醇等)的情况下，它仍是无效的[4]。

在文献中已经提出了用各种纳米结构材料来代替活性炭。这些纳米结构材料可以是沸石[5]、介孔分子筛[6]、二氧化硅纳米颗粒[7]、或微孔钛硅酸盐[8]。几年来，活性炭也与溶胶-凝胶材料结合。它在大多数情况下用于增加TiO₂光催化产率。因此，发现了以下内容：

-经由溶胶-凝胶法用TiO₂涂覆活性炭颗粒。预期的应用是水的净化，特别是含有染料的废水的净化[9]，[10]、罗丹明B的降解[11]、以及NH₃或甲醛的分解[12]，[13]。

-通过溶胶-凝胶法合成的TiO₂粉末，其通过浸渍沉积在活性炭上[14]。目的是净化含有特别是二苯并噻吩的液体。

-通过溶胶-凝胶法获得的TiO₂通过接枝或涂覆与碳纳米管连接[15]。其目的也是提高TiO₂光催化产率，并应用于环境领域。