双面电催化活性陶瓷膜及其制备方法、水处理应用技术

本发明专利技术公开了一种双面电催化活性陶瓷膜及其制备方法、水处理应用。该陶瓷膜由基底陶瓷膜构成，具有双面电化学活性。膜表面分别溅射Magn

【技术实现步骤摘要】
双面电催化活性陶瓷膜及其制备方法、水处理应用


[0001]本专利技术涉及环境有机污染修复
，特别是涉及双面电催化活性陶瓷膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]多孔电催化膜用于水处理受到广泛关注。电催化膜技术能定量调节电极电位可控降解难降解有机物，因此，相比于产生如
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OH和Cl
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的传统高级氧化工艺，具有更高的氧化能力。将膜微孔暴露在电解液中，通过缩短电荷和质量传输距离，电催化膜克服传统平板电极中的污染物扩散限制。但现有电催化膜技术依赖高剂量的化学前体物，不利于环境可持续性。此外，过滤过程中反应停留时间有限，电催化膜无法产生足够的活性自由基(如羟基自由基、过氧化氢、O3等)来有效氧化持久性有机污染物。因此，电膜技术的实际应用面临着持久性有机污染物降解和矿化效率低的挑战。
[0003]Janus电催化膜具有双面电化学反应表面，独特结构有利于提高电催化膜去除污染性能。与仅提供单面阴极还原或阳极氧化的电催化膜相比，双面电催化活性膜可以充分利用膜基质内的电极氧化还原反应，具有增强的法拉第效率。与电催化膜相比，由于基底的电绝缘特性，双面电催化活性陶瓷膜避免了电极对之间的距离限制，并允许较短的扩散距离来实现快速电化学氧化。Zhang等人首先报道了双面电催化活性膜原位产单线态氧；并证明膜内传质作用增强电催化效率，以及活性自由基ROS限域效应增强反应效率。但是单线态氧对多种有机污染物惰性。例如，磺胺甲恶唑在存在单线态氧的情况下降解相对缓慢，并且中间体的毒性比母体更大。电催化氧化包含直接氧化(有机物在电阳极直接失电子反应)和间接氧化(电极产生的活性自由基，如羟基等，对污染物氧化)两种类型。但阳极直接氧化的作用常常被忽略，却非常重要。例如，羟基无法直接降解PFOA，除非与阳极直接氧化相结合。然而，目前的双面电催化膜的研究仅着眼于间接氧化(如研究间接氧化的限域效应等来提高电催化效率)可见，关于充分利用膜两面氧化还原反应的Janus电催化膜研究仍处于早期阶段，开发能够高效去除污染物的双面催化膜兼具巨大的挑战和机遇。首先，在实际应用中需要产生足够强大的活性氧。其次，仔细选择电极材料对于提高电催化效率至关重要，这一点有待探索。此外，电化学氧化的使用效率很低，直接电化学氧化的重要作用被忽视。
[0004]公告号为CN108543423A的专利技术提供一种电催化膜过滤器装置及其电催化过滤膜的制备方法。本专利技术的电催化膜过滤器装置可将膜过滤与电催化机理耦合并应用于降解有机物等废水中。本专利技术公开的电催化膜过滤器膜的制备方法是一种搭载二氧化钛的热还原氧化石墨烯/碳纳米管电催化过滤膜的制备方法。在实际的应用中,与现有的膜过滤及电催化技术相比,本专利技术的电催化膜过滤器装置可即时的将水中难降解的小分子污染物除去,能耗低,效率高,具有潜在的工业应用价值。而本专利技术所制备的电催化过滤膜不仅能获得高于现有的氧化石墨烯或还原氧化石墨烯薄膜的水通量,且通过结合电催化效用,可有效降解膜通道内的分子半径较小的有机污染物。然而，该所述的膜为柔性膜，实际应用缺乏机械强度。
[0005]公告号为CN211886777U的技术专利，公开了一种多级电催化膜反应器,包括：反应器本体,其具有进行电化学反应的腔室；两级或两级以上的多孔膜电极对,其设置于腔室内；供料单元,其设置于反应器本体的一侧并与腔室连通,用于向腔室提供反应原料；产物收集单元,其设置于反应器本体的另一侧并与腔室连通,用于收集腔室内生成的产物；和电源,其正极和负极分别连接至每级多孔膜电极对的多孔膜电极和辅助电极,或辅助电极和多孔膜电极,以形成电极对。该申请的多级电催化膜反应器具有转化率高、稳定性好、安全可靠、绿色环保、可反复使用等优点。然而，该技术中所述的膜为两级或两级以上的多孔膜电极对，实际应用时存在电极间距的限制。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于解决上述技术问题，并提供一种双面电催化活性陶瓷膜及其制备方法和应用。本专利技术提供的双面电催化活性陶瓷膜对水中有机污染具有快速的除污率和矿化率，可用于快速高效去除水中有机污染。本专利技术提供的双面电催化活性陶瓷膜，适用于多污染共存、微污染处理，有利于环境风险降低。
[0007]为了实现上述专利技术目的，本专利技术拟采用的具体技术方案如下：
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种双面电催化活性陶瓷膜，其由绝缘基底、电催化膜阳极层和阴极层构成，其中所述绝缘基底为孔径1～5微米的绝缘性陶瓷膜；所述阳极层为溅射在陶瓷膜一侧的导电涂层，用于连接电源正极；所述阴极层为沉积于陶瓷膜另一侧的催化剂层，用于连接电源负极；所述催化剂为具有电芬顿活性的非均相催化剂。
[0009]作为上述第一方面的优选，所述导电涂层的材料优选为Magn
é
li相的Ti4O7；所述具有电芬顿活性的非均相催化剂优选为铁基非均相催化剂，进一步优选为铁酸铜。
[0010]第二方面，本专利技术提供了一种双面电催化活性陶瓷膜的制备方法，其包括如下步骤：
[0011]S1、以绝缘性陶瓷膜作为基底，将硝酸铜、硝酸铁、柠檬酸、乙二醇溶于水中形成溶胶，再持续搅拌形成凝胶状前驱体后涂覆于基底一侧成膜，通过梯度升温至350～450℃进行煅烧，形成作为阳极层的导电涂层；
[0012]S2、再在基底膜的另一侧溅射亚氧化钛涂层作为阴极层，从而得到具有双面电催化活性陶瓷膜。
[0013]作为上述第二方面的优选，所述溶胶由硝酸铜、硝酸铁、柠檬酸、乙二醇溶于去离子水中制成，浓度分别为硝酸铜0.02mol/L，硝酸铁0.04mol/L，柠檬酸0.072mol/L，乙二醇0.144mol/L。
[0014]作为上述第二方面的优选，将所述溶胶在60～100℃下搅拌4
‑
6小时，形成凝胶状前驱体。
[0015]作为上述第二方面的优选，所述前驱体需进行三轮旋涂，每一轮旋涂均将0.1～0.7mL前驱体置于基底陶瓷膜的上表面，然后用旋转涂布器以500
‑
6000rpm的转速进行30s的旋转涂布。
[0016]作为上述第二方面的优选，所述梯度升温进行煅烧过程中，在2～7℃/min的升温速率下梯度升温，分别在100℃、300℃和450℃下维持1.5小时，完成煅烧程序。
[0017]作为上述第二方面的优选，所述亚氧化钛涂层的溅射方法为激光溅射；优选的，激
光溅射的工艺参数为电流为350～550安，电压为55～65伏，氩气流量为45～55升/分钟，氢气流量为3～5升/分钟，亚氧化钛粉末供给速率为20～50克/分钟，溅射距离为70～100毫米。
[0018]第三方面，本专利技术提供了一种如上述第二方面任一方案所述制备方法制备的双面电催化活性陶瓷膜。
[0019]第四方面，本专利技术提供了一种双面电催化活性陶瓷膜在水处理中的应用，其具体做法为：
[0020]将含有有机污染物分子的待处理溶液通入处理设备中进行处理；所述处理设备以权利要求1或2或9所述双面电催化活性陶瓷膜形成不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双面电催化活性陶瓷膜，其特征在于，由绝缘基底、电催化膜阳极层和阴极层构成，其中所述绝缘基底为孔径1～5微米的绝缘性陶瓷膜；所述阳极层为溅射在陶瓷膜一侧的导电涂层，用于连接电源正极；所述阴极层为沉积于陶瓷膜另一侧的催化剂层，用于连接电源负极；所述催化剂为具有电芬顿活性的非均相催化剂。2.如权利要求1所述的双面电催化活性陶瓷膜，其特征在于，所述导电涂层的材料优选为Magn
é
li相的Ti4O7；所述具有电芬顿活性的非均相催化剂优选为铁基非均相催化剂，进一步优选为铁酸铜。3.一种双面电催化活性陶瓷膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、以绝缘性陶瓷膜作为基底，将硝酸铜、硝酸铁、柠檬酸、乙二醇溶于水中形成溶胶，再持续搅拌形成凝胶状前驱体后涂覆于基底一侧成膜，通过梯度升温至350～450℃进行煅烧，形成作为阳极层的导电涂层；S2、再在基底膜的另一侧溅射亚氧化钛涂层作为阴极层，从而得到具有双面电催化活性陶瓷膜。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述溶胶由硝酸铜、硝酸铁、柠檬酸、乙二醇溶于去离子水中制成，浓度分别为硝酸铜0.02mol/L，硝酸铁0.04mol/L，柠檬酸0.072mol/L，乙二醇0.144mol/L。5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，将所述溶胶在60～100℃下搅拌4
‑
6小时，形成凝胶状前驱体。6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述前驱体需进行三轮旋涂，每一轮旋涂均将0.1～0.7mL前...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宝梁，仇祯，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：