表面复合光催化膜及其制备方法和在水处理中的应用技术

本发明专利技术属于光催化膜制备技术领域，具体来说是表面复合光催化膜及其制备方法和在水处理中的应用。为了高效利用光源且稳定负载光催化剂，本发明专利技术提出基于高分子铸膜液凝胶特性，将催化剂涂覆于凝胶相薄膜表面经浸没沉淀相转化过程制备表面复合光催化膜的新型膜制备策略，系统研究无机催化剂参与相转化过程对有机膜结构特征、渗透性能、光催化性能和抗污染性能的影响。采用本发明专利技术策略制备的表面复合光催化膜实现了无机催化剂在有机分离膜表面的稳定负载过程，在提高催化剂固定化程度的基础上保证了催化剂对光源的高效利用。同时依靠无机催化剂和有机分离膜两相界面效应实现了膜结构与性能调控，为光催化和膜分离技术的优势结合提供新思路。结合提供新思路。结合提供新思路。

【技术实现步骤摘要】
表面复合光催化膜及其制备方法和在水处理中的应用


[0001]本专利技术属于光催化膜制备
，特别涉及表面复合光催化膜及其制备方法和在水处理中的应用。

技术介绍

[0002]随着工业发展和人民生活水平提升，逐渐加剧的水污染问题对生态环境和人类健康造成了极大的威胁。膜分离技术因高效节能、系统运行稳定等优点在污水处理领域得到广泛的应用，但是膜分离过程仅能实现污染物分离浓缩，高浓度浓缩废水的处理是膜分离技术应用中不可避免的问题之一；同时分离过程中污染物在膜面和膜孔富集引起的膜污染问题会导致分离膜通量衰减、使用寿命减少、维护费用增加等问题，对膜分离技术的应用产生了明显的阻碍。
[0003]半导体光催化技术是集节能、环境友好等优点于一身的高级氧化技术，在光源照射下，半导体催化剂被激发产生活性自由基完成光能向化学能转换的过程，活性自由基具有极强氧化性，彻底将污染物氧化分解从而减缓其对环境的危害，且反应过程利用光能，有效避免能源二次消耗而达到节能减排的目的。因此光催化技术是解决环境水体污染问题的重要技术手段。目前常见的光催化体系是悬浮型反应系统，纳米或微米级催化剂以粉末状态参与反应，有利于体系中物质间传质而获得良好的光催化效果，但是催化剂分离回收及循环利用问题成为了限制光催化技术工程化应用的主要障碍。现有工艺通过在光催化系统后串联混凝、絮凝、沉淀过程实现催化剂的分离回收，然而分离效率低所引起的能耗增加以及催化剂泄露问题会对环境产生二次污染，并引起潜在的生态环境健康风险；此外光催化反应过程中粉末催化剂团聚及其对入射光的屏蔽效应对光催化效果产生不利影响，粉末催化剂应用过程中出现的问题对于发挥光催化技术高效节能和环境友好的优势作用产生了负面影响。
[0004]针对光催化技术和膜分离技术在污水处理过程中存在的缺陷，将光催化与膜分离技术耦合形成光催化膜是同步解决粉末催化剂分离回用及膜污染问题的有效方式，越来越多的研究聚焦于将催化剂固定在分离膜表面或膜孔内制备成光催化膜参与反应，在实现催化剂和产物同步分离过程的基础上依靠光催化过程降解积累在膜上的污染物从而缓解膜污染，为分离膜长时间运行提供可能。
[0005]在应用过程中，对光源的利用及污染物与催化剂间的传质过程是影响光催化膜性能的关键因素。目前研究人员主要采用表面负载和本体共混两种方法制备光催化膜，采用表面沉积、浸渍涂覆、电子喷雾、磁控溅射、表面接枝等表面负载方法将催化剂固定在膜表面，可以制备成负载型光催化膜。其优势在于催化层位于膜面，有利于催化剂高效利用光源进行光催化反应，同时依靠光催化降解作用阻碍膜面滤饼层形成而达到缓解膜污染的目的。但是基于表面负载的特点，膜面催化层的形成会对膜通量产生负面影响。表面负载过程中催化剂主要通过物理方式吸附在膜面或与膜面形成氢键等键能较低的化学键相互结合，由于两者间相互作用较弱，过滤过程产生的剪切力很容易将光催化层破坏，造成催化剂流
失而导致光催化性能下降。
[0006]通过本体共混方式将催化剂掺杂在膜本体结构中制备成共混型光催化膜是提高催化剂固定化程度的有效方式。相关研究发现，催化剂典型的无机特性在有机成分和无机成分微尺度结合过程中能够发挥重要作用，两相界面会对分离膜的性质产生显著影响。无机催化剂的加入会在分相过程中对分离膜的结构、亲水性、粗糙度、机械强度等特征产生影响从而改善分离膜的性能，但是催化剂被包埋在膜结构中势必导致其对光源利用率下降造成光催化性能的降低，同时无机材料与有机成分的不相容性会导致催化剂分散不均匀，而光照和反应过程中产生的活性自由基对膜结构的破坏是共混型光催化膜应用过程中难以避免的问题。

技术实现思路

[0007]针对上述存在的技术不足，本专利技术提供了表面复合光催化膜及其制备方法和在水处理中的应用。为了高效利用光源且稳定负载光催化剂，本专利技术提出基于高分子铸膜液凝胶特性，将催化剂涂覆于凝胶相薄膜表面经浸没沉淀相转化过程制备表面复合光催化膜的新型膜制备策略，系统研究无机催化剂参与相转化过程对有机膜结构特征、渗透性能、光催化性能和抗污染性能的影响。采用本专利技术策略制备的表面复合光催化膜实现了无机催化剂在有机分离膜表面的稳定负载过程，在提高催化剂固定化程度的基础上保证了催化剂对光源的高效利用。同时依靠无机催化剂和有机分离膜两相界面效应实现了膜结构与性能调控，为光催化和膜分离技术的优势结合提供新思路。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]表面复合光催化膜的制备方法，包括如下步骤：将有机高分子膜材料、致孔剂溶解在有机溶剂中，得到铸膜液，将铸膜液静置脱除气泡，然后流延成凝胶相薄膜，再通过表面涂覆方式将光催化剂负载在凝胶相薄膜表面后进行分相，获得表面复合光催化膜。
[0010]优选的，所述有机高分子膜材料包括但不限于聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜；
[0011]所述致孔剂包括但不限于聚乙烯吡咯烷酮、氯化锂或二者的混合；
[0012]所述有机溶剂包括但不限于N,N
’‑
二甲基乙酰胺、N,N
’‑
二甲基甲酰胺、乙二醇甲醚。
[0013]优选的，当所述致孔剂选自聚乙烯吡咯烷酮与氯化锂的混合物，所述铸膜液中，有机高分子膜材料、聚乙烯吡咯烷酮、氯化锂和有机溶剂的质量之比为16
‑
18：0.5
‑
1：1
‑
2：79
‑
82.5；当致孔剂选自聚乙烯吡咯烷酮或氯化锂，有机高分子膜材料、致孔剂和有机溶剂的质量之比为16
‑
18：1.5
‑
3：79
‑
82.5。
[0014]优选的，所述分相的方法为：将催化剂负载在凝胶相薄膜后，浸没在40
‑
60℃恒温水浴中。
[0015]优选的，所述光催化剂为粉末催化剂。
[0016]优选的，所述光催化剂包括但不限于ZnIn2S4催化剂、TiO2催化剂、WO3催化剂、ZnO催化剂、g
‑
C3N4催化剂。
[0017]优选的，所述ZnIn2S4催化剂按照如下步骤制备：
[0018]将Zn(NO3)2·
6H2O、In(NO3)3·
xH2O和硫代乙酰胺在去离子水中溶解，然后于60
‑
120℃条件下反应6h，经冷却、清洗、研磨，得到ZnIn2S4催化剂；
[0019]其中，Zn(NO3)2·
6H2O、In(NO3)3·
xH2O和硫代乙酰胺的质量比为1：2：16。
[0020]优选的，所述光催化剂于所述凝胶相薄膜上的负载量为0.2
‑
2mg/cm2。
[0021]本专利技术还保护了上述制备方法制得的表面复合光催化膜。
[0022]本专利技术还保护了表面复合光催化膜在制备水处理膜中的应用，所述水处理的方法为：
[0023]将表面复合光催化膜于去离子水中浸泡至表面无有机溶剂残留后，将表面复合光催化膜固定在由石英玻璃制成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.表面复合光催化膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将有机高分子膜材料、致孔剂溶解在有机溶剂中，得到铸膜液，将铸膜液静置脱除气泡，然后流延成凝胶相薄膜，再通过表面涂覆方式将光催化剂负载在凝胶相薄膜表面后进行分相，获得表面复合光催化膜。2.根据权利要求1所述的表面复合光催化膜的制备方法，其特征在于，所述有机高分子膜材料包括但不限于聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜；所述致孔剂包括但不限于聚乙烯吡咯烷酮、氯化锂或二者的混合；所述有机溶剂包括但不限于N,N
，
‑
二甲基乙酰胺、N,N
，
‑
二甲基甲酰胺、乙二醇甲醚。3.根据权利要求2所述的表面复合光催化膜的制备方法，其特征在于，当所述致孔剂选自聚乙烯吡咯烷酮与氯化锂的混合物，所述铸膜液中，有机高分子膜材料、聚乙烯吡咯烷酮、氯化锂和有机溶剂的质量之比为16
‑
18：0.5
‑
1：1
‑
2：79
‑
82.5；当致孔剂选自聚乙烯吡咯烷酮或氯化锂，有机高分子膜材料、致孔剂和有机溶剂的质量之比为16
‑
18：1.5
‑
3：79
‑
82.5。4.根据权利要求1所述的表面复合光催化膜的制备方法，其特征在于，所述分相的方法为：将催化剂负载在凝胶相薄膜后，浸没在40
‑
60℃恒温水浴中。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘婷婷，王海涛，常娜，胡于山，李茹，王理明，侯康，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：