本發(fā)明為一種含雙原子位點的水凝膠催化膜及限域凈水應(yīng)用，屬于功能材料和高級氧化水處理領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、有機廢物是造成水體污染的一個主要方面，水體中有機污染物種類繁多，成分復(fù)雜，且多具有毒性，對環(huán)境和人體有著巨大的危害。傳統(tǒng)的廢水處理方法有物理吸附法、化學(xué)法、生物法、電化學(xué)法等，但是目前對難降解的有機廢水的治理難度很大，已經(jīng)滿足不了越來越高的環(huán)保和工藝要求?；谶^硫酸鹽的高級氧化工藝(ps-aops)因其卓越的氧化效率而受到研究人員的廣泛關(guān)注。ps-aops通過自由基氧化(例如so4·-)和非自由基氧化(如單線態(tài)氧和直接電子轉(zhuǎn)移)活化過硫酸鹽，可以有效地破壞有機污染物的結(jié)構(gòu)。由于基于過硫酸鹽的高級氧化工藝，其較長的自由基壽命(30-40μs)、較高的氧化電位(2.5-3.1v)和更廣泛的ph響應(yīng)范圍，被視為極具潛力的技術(shù)。近年來，單原子催化劑(sacs)對每個金屬原子具有最大的利用效率，在過硫酸鹽活化中具有出色的催化活性和選擇性。對于金屬顆粒的單原子能級，sac表現(xiàn)出高比表面積和表面能，其獨特的性能使sac能夠克服催化動力學(xué)和催化活性的傳統(tǒng)限制。

2、傳統(tǒng)的單原子催化劑合成方法有模板法、溶膠-凝膠法、球磨法和化學(xué)氣相沉積法等不同工藝，這些過程通常涉及在較高溫度下長時間燒結(jié)，這帶來了較大的能量消耗和催化劑活性熱處理再生相關(guān)的挑戰(zhàn)。此外，傳統(tǒng)單原子催化劑除了合成過程的成本較高、時間較長以外，其有效的負載量往往偏低，基本都在百分之五以下，因此如何提高催化劑整體的金屬位點負載量又盡可能避免出現(xiàn)大量的金屬團簇，也是傳統(tǒng)單原子催化劑合成面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

3、另一方面，盡管許多研究已經(jīng)證明了過硫酸鹽活化系統(tǒng)在實驗室條件下具有較高的氧化效率，但在傳統(tǒng)反應(yīng)模式中，由于有機物和氧化劑的擴散傳質(zhì)效率較差(擴散層厚度大于100微米)，導(dǎo)致需要向系統(tǒng)中添加過量的氧化劑。具體而言，過硫酸鹽的用量約為有機物濃度的100倍，這進一步增加了系統(tǒng)的成本并限制了其實際應(yīng)用。因此，在低氧化劑用量的情況下，如何改善非均相過硫酸鹽催化系統(tǒng)的反應(yīng)動力學(xué)至關(guān)重要。大量的研究表明，基于限域催化的反應(yīng)形式，由于可以壓縮界面的擴散層進而迅速提升系統(tǒng)的傳質(zhì)性能，整體上顯著強化了反應(yīng)動力學(xué)和減少系統(tǒng)氧化劑的用量。但是，目前基于單原子限域材料的組裝往往是通過分散液抽濾至微濾膜基體上，其復(fù)合膜結(jié)合機械強度較弱，極大限制了進一步推廣使用以及回收再生利用。

4、陳敏等首次提出了海藻酸鹽基非均相催化水凝膠膜與過氧單硫酸鹽交叉流活化相結(jié)合的有機污染物去除方法【advanced?materials,2024,2311416】。該方法制備了金屬-海藻酸鹽水凝膠膜。由于錯流模式的壓力驅(qū)動場，錨定的金屬配合物在小擴散層的空間限制下為過氧單硫酸鹽和有機物提供了豐富的反應(yīng)位點，從而對so4·-的生成具有較高的活化作用。理論計算表明，根據(jù)過氧單硫酸鹽吸附能壘，海藻酸鈷結(jié)構(gòu)水凝膠的反應(yīng)能力優(yōu)于其他類型的金屬(ni、cu和zn)基水凝膠。

5、隨著各類材料基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)日趨完善，材料學(xué)界已從早期的替代毒害和稀缺元素、節(jié)能減排與循環(huán)利用技術(shù)等單項研發(fā)努力，認識趨向必須基于全生命周期方法的材料生命周期工程，要求從材料產(chǎn)品設(shè)計、資源獲取開始，面向其生命周期全過程，在對材料的使用性能、資源/能源消耗和環(huán)境影響進行關(guān)聯(lián)量化分析的基礎(chǔ)上，追求全產(chǎn)業(yè)鏈條的最優(yōu)化，并通過在材料制造、使用、回收等環(huán)節(jié)中持續(xù)地進行技術(shù)創(chuàng)新與工藝優(yōu)化，有效降低材料產(chǎn)品全生命周期的綜合環(huán)境負荷。

6、針對傳統(tǒng)單原子催化劑成本較高、負載量低、催化劑易團聚、催化劑難以再生等問題，本發(fā)明報道一種含雙原子位點的水凝膠催化膜及限域凈水應(yīng)用。首先將共混助催化劑的多糖類聚合物鑄膜液在載體上刮膜，隨后在兩種可構(gòu)成氧化還原電對的過渡金屬離子溶液中交聯(lián)，得到含雙原子位點的水凝膠催化膜。將載體及該水凝膠膜作為催化界面固定在錯流過濾的膜池組件中，通過調(diào)控壓力場實現(xiàn)過氧化物、有機物在限定的水凝膠催化膜界面擴散層的快速傳質(zhì)，從而在極短的時間內(nèi)快速降解有機污染物。將使用后的水凝膠催化膜用檸檬酸鈉水溶液溶解，利用水熱反應(yīng)將水凝膠催化膜中的過渡金屬轉(zhuǎn)化成金屬氧化物并分離提純，可實現(xiàn)資源化再生利用。本發(fā)明的催化膜具備金屬負載量大的特征，有效提升傳統(tǒng)單原子催化劑受限于金屬含量低的制約。該水凝膠催化膜在污水處理、環(huán)境保護領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是傳統(tǒng)單原子催化劑成本較高、負載量低、催化劑易團聚、催化劑難以再生等問題。本發(fā)明針對前述存在問題不足的技術(shù)方案是提供一種含雙原子位點的水凝膠催化膜及限域凈水應(yīng)用。

2、本發(fā)明提供一種含雙原子位點的水凝膠催化膜及限域凈水應(yīng)用，其特征是包括以下步驟：

3、a)配制質(zhì)量百分比濃度為1％～5％的多糖聚合物，質(zhì)量百分比濃度為0.5％～5％的助催化劑的混合物水溶液作為鑄膜液，消泡后備用；所述的多糖聚合物為海藻酸鈉、羧甲基殼聚糖、羧甲基纖維素中的任意一種或兩種及以上混合物；所述的助催化劑為二硫化鉬、二硫化鎢、二硫化鈷中的任意一種或兩種及以上混合物；

4、b)配制構(gòu)成氧化還原電對的過渡金屬離子的混合水溶液，作為凝固浴，過渡金屬離子為co2+/ni2+、cu2+/mn2+、fe3+/mn2+、fe3+/cu2+、co2+/cu2+、la3+/cu2+、la3+/co2+中的任意一種；凝固浴中過渡金屬離子的總質(zhì)量百分比濃度為0.5％～5％，上述構(gòu)成氧化還原電對的兩種過渡金屬離子的摩爾比為1：9～9：1；

5、c)選擇來自石家莊天略工業(yè)用布有限公司的高強度的親水無紡布作為載體，在卷繞傳動裝置下，用刮刀將步驟a)得到的鑄膜液涂覆無紡布上，在該無紡布上形成液膜，然后將涂覆膜液的無紡布浸入步驟b)得到的凝固浴中，充分交聯(lián)后，用去離子水沖洗掉表面的過渡金屬離子，得到一種含雙原子位點的水凝膠催化膜，將該水凝膠催化膜卷繞到一起備用；

6、d)通過錯流過濾裝置對有機污染物進行限域凈水應(yīng)用，錯流過濾裝置由水泵、管路、原液罐、壓力表、壓力閥和膜池組成；將步驟c)得到的含雙原子位點的水凝膠催化膜剪裁后裝入膜池中，在原液罐中加入有機污染物和過氧化物的混合水溶液；采用豐富的可構(gòu)成氧化還原電對的含雙原子位點的水凝膠催化膜，結(jié)合錯流過濾模式，解決了傳質(zhì)限制和催化劑固定位置的問題，在壓力驅(qū)動下，該模式只需極低的能量成本和極短的反應(yīng)時間實現(xiàn)有機污染物的快速降解，在2～5分鐘對有機污染物的降解率達到60％～100％；

7、e)將多次使用后催化性能降低的水凝膠催化膜用檸檬酸鈉水溶液溶解，利用水熱反應(yīng)將水凝膠催化膜中的過渡金屬離子轉(zhuǎn)化成過渡金屬氧化物并分離提純，用稀鹽酸溶解后，

8、得到過渡金屬離子溶液，重新配制步驟b)中的凝固浴，從而實現(xiàn)資源的再生利用。

9、本發(fā)明所述的過氧化物為過氧化氫、過一硫酸鹽、過二硫酸鹽、過氧乙酸中的一種或多種。所述的有機污染物為磺胺甲基嘧啶、甲基異噻唑啉酮、四環(huán)素、雙酚a的一種或多種。