[发明专利]多功能光催化复合陶瓷分离膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种分离膜产品及其制备方法和应用，更具体的说，涉及以多 孔陶瓷膜为载体的光催化复合陶瓷分离膜及其制备方法和应用，属于膜技术领 域。

背景技术

天然水体中含有天然有机物(NOMs)和人工合成有机物(SOCs)。天然有机物 大约有10-20种，在地表和地下水源水的处理过程中，有机腐殖质为最常见的 天然有机污染物，用传统的氯消毒方法，水中NOMs会与过量氯反应，生成具有 致癌作用的消毒副产物(DBPs)，对人体健康极为有害；人工合成有机物的主要 特点是易残留、难降解，同时具有生物富集性，有很强的致癌、致畸和致突变 作用，严重危害人体健康。此外，天然水体中的致病微生物(包括细菌、藻类 和病毒等)也是威胁人体健康不可忽视的安全隐患。

城市污水成分十分复杂，常规的生物处理法处理时间长、设备占用面积大， 对部分有机污染物难以处理，其中水中难降解有机污染物(包括多环芳烃类、 杂环类、有机氰化合物、多氯联苯、农药、染料以及洗涤剂等)对人类和环境 有很大危害。通过新型污染控制技术彻底破坏难降解的有机污染物，达到无害 排放，一直是污水处理技术中被不断研究的重要问题。

膜分离是在压差推动力作用下进行的气相或液相分离过程，膜分离技术应 用于水处理工业，使得水处理工艺流程简化，操作简便，节省投资和占地面积。 陶瓷膜具备耐高温、化学稳定性好、机械强度高、抗微生物能力强和孔径分布 范围窄等优点，具有更好的应用价值，但仍存在不足之处：(1)对于被分离出 的污染物不能有效分解去除，需要二次处理；(2)膜易污染，膜通量下降较快， 运行周期较短，需频繁冲洗，因此运行费用较高。

光催化技术是近几十年国内外最活跃的研究热点之一，美国环境保护局 (EPA)已将光催化技术列为最有前景的环保高新技术。光催化降解的基本原理 是：半导体催化剂在紫外光的照射下，其价带上的电子被激发到导带上，形成 电子-空穴对，在水中生成包括羟基自由基、氧自由基等活性氧物种(ROS)，从 而具有强氧化还原能力。二氧化钛光催化剂因具有催化活性高、化学性质稳定、 成本低、无毒的特点而被广泛研究。二氧化钛纳米结构(如纳米粒子、纳米膜、 纳米管、纳米棒等)因具有优异光催化活性，更受到关注。在此结构基础上， 通过对二氧化钛负载一些贵金属或者掺杂一些无机元素，可以使二氧化钛光催 化剂的光催化降解污染物活性大大提高。尽管光催化技术有很多优点，但粉末 态光催化剂在实现工业化应用的过程中，存在以下主要问题：(1)粉末态催化 剂颗粒容易流失，难以回收利用；(2)二氧化钛光催化剂通常光谱利用范围较 窄，经紫外光激发后，电子和空穴易复合，导致其光催化活性有限。

基于膜分离技术和光催化技术的优缺点，专利号为ZL200510046986.7的 专利技术“二氧化钛纳米管复合膜及其制备方法和应用”，以及专利号为 ZL200610134322.0的专利技术“掺硅二氧化钛纳米管复合膜及其制备方法和 应用”，用无机光催化复合膜，将光催化和膜分离两个彼此相互独立的单元操 作合并为一个单元操作，具有光催化分解与膜分离一体化的功能。然而，这两 个专利技术仍存在以下不足：(1)紫外光照射下光生电子和空穴易复合，导致光 催化降解污染物和灭菌活性不足；(2)光催化复合膜制备过程中孔隙率损失较 大，实际应用中膜出水通量较低。

发明内容

本发明的目的，是提供一种在多孔无机陶瓷膜载体上制备的光催化复合陶 瓷分离膜，及其制备方法和应用，该复合陶瓷分离膜具有较高的光催化性能和 膜渗透性能，并增强了膜灭菌杀毒的功能。

本发明的基本构思是，利用溶胶-凝胶成膜技术，在多孔无机陶瓷膜载体 上用不同材料两次溶胶-凝胶、浸渍、干燥、焙烧成膜，制成复合陶瓷分离膜。 两次溶胶-凝胶、浸渍、干燥、焙烧形成的覆膜分别为：1)具有高比表面积、 高生物吸附性且环境友好的羟基磷灰石膜层；2)具有较高光催化活性的载银 二氧化钛光催化膜层。制成的复合陶瓷分离膜能够吸附、截留并降解污染物， 灭菌杀毒。由于羟基磷灰石膜层对有机污染物和致病微生物的吸附截留作用， 可以使本发明的光催化复合陶瓷分离膜在膜孔径增大、膜制备过程中孔隙率损 失降低、膜出水通量提高的同时，具有较高的去污灭菌效率。