一种光催化-蒸馏一体化膜及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种光催化-蒸馏一体化膜及其制备方法和应用。

背景技术

工业废水排放的有机污染物种类多，且多有毒有害，这些难降解污染物，可能干扰内分泌系统，具有诱变、致癌的效果，对环境和生物有很大的危害。另外，废水中还含有浓度不等的盐类，盐离子进入环境可能污染土壤和地下水，危害生物。随着废水排放标准的提高和回用的要求，对难降解有机物和盐的去除日益紧迫。现阶段对难降解有机物和盐类的去除有着不同的技术。

在难降解有机物去除方面，高级氧化技术(Advanced Oxidation processes,AOPs)利用强氧化性羟基自由基无选择性深度降解有机物而受到广泛关注。其中以半导体及其衍生材料为媒介的光催化技术，因其可以利用太阳光及溶解氧产生活性氧物种从而降解水体有机污染物，且具有清洁、节能等突出优点，成为研究热点。二氧化钛(TiO

水处理中的另一种技术是膜分离技术。膜分离技术在水处理过程中具有简单性、可模块化设计、易于维护和良好的截留率。其中膜蒸馏技术是以高孔隙率疏水膜为分离介质、以膜两侧温度差为驱动力，将清洁水自热污染侧经过“蒸发-传递-冷凝”三步进入冷侧，从而实现净化废水、产出清洁水的一种膜分离工艺，因出水水质高、运行压力低和运行温度低等优点备受关注。但是膜蒸馏过程是一个完全的物理过程，并不涉及污染物的降解，且膜容易收到污染物的污染，影响处理效率。

一般来说，现有脱盐技术可以实现脱盐，但其中有机物并没有得到降解或矿化，经过脱盐浓缩后，浓缩液中难降解有机物的浓度更高，毒性更大。另一方面，现有的高级氧化技术能有效矿化难降解有机物，但是不具备脱盐能力。所以在废水深度处理领域，需要一种能同时脱盐和矿化难降解有机物的技术，通过脱盐同时矿化有机物从而消除浓缩液的二次污染。

发明内容

1.要解决的问题

针对上述问题，本发明开发了光催化-蒸馏一体化膜，通过分段纺丝工艺，在制备的疏水型纳米纤维膜的基底上，将光催化剂通过共混纺丝的方法固定于疏水纳米纤维膜表面，利用分离膜作为催化剂固定化的载体，集成了膜的选择透过性、和催化剂的催化活性，使膜兼具光催化和膜分离的双重功能，同时利用太阳能使膜两侧产生温度差为驱动力，使产物得以从反应体系中分离。膜能实现连续化运行，提高了催化剂的分散性、稳定性和重复使用性，光催化剂能够有效地降解膜表面沉积的污染物，有效缓解膜污染，实现反应-分离耦合过程的强化，在水处理领域具有十分广阔的应用前景。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明提供了一种光催化-蒸馏一体化膜的制备方法，该方法通过分段纺丝工艺，先制备出疏水纳米纤维膜作为基底膜，再将光催化剂通过共混纺丝的方法固定于基底膜上，光催化剂纳米颗粒的存在赋予膜三维多孔结构，增加了孔隙率，有利于膜分离以及有机物的降解。

进一步地，上述光催化剂是TiO

进一步地，上述疏水纳米纤维膜包括聚偏氟乙烯(PVDF)疏水纳米纤维膜。

进一步地，上述一种光催化-蒸馏一体化膜的制备方法，具体包括如下步骤：

S1：TiO

S2：PVDF疏水纳米纤维膜的制备，将一定量的PVDF粉末加入到丙酮/N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中，加热至温度为60±3℃，连续搅拌溶解2～6h，得到PVDF纺丝液，利用静电纺丝技术对纺丝液进行静电纺丝，制得到PVDF疏水纳米纤维膜；

S3：TiO

进一步地，上述S1中，TiO

进一步地，上述S1中，N,N-二甲基甲酰胺：丙酮的体积比(2～5)：1。

进一步地，上述S2中，PVDF疏水纳米纤维膜的基膜的纺丝液的高分子的质量浓度为8～15wt％。

进一步地，上述S2中，静电纺丝参数电压为15～25kV，接收距离为15～20cm，纺丝速度0.5～1.0mL/h。

进一步地，上述S3中，静电纺丝参数电压为18～28kV，接收距离为15～20cm，纺丝速度0.5～1.0mL/h。

本发明还提供了上述一种光催化-蒸馏一体化膜的制备方法制备的光催化-蒸馏一体化膜。

本发明还提供了上述一种光催化-蒸馏一体化膜的制备方法和/或光催化-蒸馏一体化膜在污水处理中的应用，在膜蒸馏时去除水中有机物。

进一步地，上述污水同时含有有机物和盐分。

3.有益效果

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

(1)本发明提供的一种光催化-蒸馏一体化膜，集成了膜的选择透过性和光催化的催化活性，使膜兼具催化反应和分离的双重功能，同时利用太阳能使膜两侧产生温度差为驱动力，使产物得以从反应体系中分离，并进一步解决了水处理的能耗问题。

(2)本发明提供的一种光催化-蒸馏一体化膜的制备方法，采用分段纺丝工艺，在PVDF疏水纳米纤维膜表面进行共混溶液的纺丝，通过一步法制备得到光催化-蒸馏膜，其工艺简单，所制备得到的膜的结构性能好、孔隙率高、疏水性强、稳定性好、可重复利用，解决了粉体催化剂难回收的问题。本发明所述的制备光催化膜蒸馏一体化膜的方法，具有固有的简单性、易于操作等优点，在水处理方面具有广阔的应用前景。

(3)本发明提供的一种光催化-蒸馏一体化膜的应用，TiO

附图说明

图1是制备得到的光催化-蒸馏一体化膜的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

需要说明的是，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

如本文所使用，术语“约”用于提供与给定术语、度量或值相关联的灵活性和不精确性。本领域技术人员可以容易地确定具体变量的灵活性程度。

如本文所使用，术语“......中的至少一个”旨在与“......中的一个或多个”同义。例如，“A、B和C中的至少一个”明确包括仅A、仅B、仅C以及它们各自的组合。

浓度、量和其他数值数据可以在本文中以范围格式呈现。应当理解，这样的范围格式仅是为了方便和简洁而使用，并且应当灵活地解释为不仅包括明确叙述为范围极限的数值，而且还包括涵盖在所述范围内的所有单独的数值或子范围，就如同每个数值和子范围都被明确叙述一样。例如，约1至约4.5的数值范围应当被解释为不仅包括明确叙述的1至约4.5的极限值，而且还包括单独的数字(诸如2、3、4)和子范围(诸如1至3、2至4等)。相同的原理适用于仅叙述一个数值的范围，诸如“小于约4.5”，应当将其解释为包括所有上述的值和范围。此外，无论所描述的范围或特征的广度如何，都应当适用这种解释。

实施例1

本实施例提供一种光催化-蒸馏一体化膜的制备方法及其制备的一体化膜在污水处理中的应用。

一种光催化-蒸馏一体化膜的制备方法，具体包括如下步骤：

S1：TiO

S2：PVDF疏水纳米纤维膜的制备，称取1.44g聚偏氟乙烯(PVDF)粉末缓慢加入到9g丙酮/N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中，加热至温度为60℃，连续搅拌溶解3h，至溶液澄清透明，得到PVDF纺丝液，利用静电纺丝技术对纺丝液进行静电纺丝，制得到PVDF疏水纳米纤维膜基膜，静电纺丝参数电压为16kV，接收距离为15cm，纺丝速度0.5mL/h；

S3：TiO

本实施例还提供了本实施例制备的光催化-蒸馏一体化膜的测试，具体包括：由太阳模拟器、玻璃模具、电子天平、电导率仪、蠕动泵与恒温水箱组成的直接接触式膜蒸馏系统测试所制备膜的光热膜蒸馏性能。渗透液和进料液的温度始终由恒温水箱保持在20℃。进料液和渗透液均由蠕动泵循环，恒定流量为0.25L/min，进料液为质量分数3.5wt％NaCl，10mg/L的苏丹红B组成的混合液。设定光照强度为1kW/m

实施例2

本实施例提供一种光催化-蒸馏一体化膜的制备方法及其制备的一体化膜在污水处理中的应用。

一种光催化-蒸馏一体化膜的制备方法，具体包括如下步骤：

S1：TiO

S2：PVDF疏水纳米纤维膜的制备，称取1.08g聚偏氟乙烯(PVDF)粉末缓慢加入到9g丙酮/N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中，加热至温度为60℃，连续搅拌溶解3h，至溶液澄清透明，得到PVDF纺丝液，利用静电纺丝技术对纺丝液进行静电纺丝，静电纺丝参数电压为15kV，接收距离为18cm，纺丝速度0.6mL/h，制得到PVDF疏水纳米纤维膜基膜；

S3：TiO

本实施例还提供了光催化-蒸馏一体化膜的测试，具体包括：由太阳模拟器、玻璃模具、电子天平、电导率仪、蠕动泵与恒温水箱组成的直接接触式膜蒸馏系统测试所制备膜的光热膜蒸馏性能。渗透液和进料液的温度始终由恒温水箱保持在20℃。进料液和渗透液均由蠕动泵循环，恒定流量为0.25L/min，进料液为质量分数3.5wt％NaCl，10mg/L的苏丹红B组成的混合液。设定光照强度为1kW/m

实施例3

本实施例提供一种光催化-蒸馏一体化膜的制备方法及其制备的一体化膜在污水处理中的应用。

一种光催化-蒸馏一体化膜的制备方法，具体包括如下步骤：

S1：TiO

S2：PVDF疏水纳米纤维膜的制备：称取1.17g聚偏氟乙烯(PVDF)粉末缓慢加入到9g丙酮/N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中，加热至温度为60℃，连续搅拌溶解3h，至溶液澄清透明，得到PVDF纺丝液，利用静电纺丝技术对纺丝液进行静电纺丝，静电纺丝参数电压为20kV，接收距离为20cm，纺丝速度1.0mL/h，制得到PVDF疏水纳米纤维膜基膜；

S3：TiO

本实施例还提供了光催化-蒸馏一体化膜的测试，具体包括：由太阳模拟器、玻璃模具、电子天平、电导率仪、蠕动泵与恒温水箱组成的直接接触式膜蒸馏系统测试所制备膜的光热膜蒸馏性能。渗透液和进料液的温度始终由恒温水箱保持在20℃。进料液和渗透液均由蠕动泵循环，恒定流量为0.25L/min，进料液为质量分数3.5wt％NaCl，10mg/L的苏丹红B组成的混合液。设定光照强度为1kW/m

实施例4

本实施例提供一种光催化-蒸馏一体化膜的制备方法及其制备的一体化膜在污水处理中的应用。

一种光催化-蒸馏一体化膜的制备方法，具体包括如下步骤：

S1：TiO

S2：PVDF疏水纳米纤维膜的制备：称取0.9g聚偏氟乙烯(PVDF)粉末缓慢加入到9g丙酮/N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中，加热至温度为60℃，连续搅拌溶解3h，至溶液澄清透明，得到PVDF纺丝液，利用静电纺丝技术对纺丝液进行静电纺丝，静电纺丝参数电压为16kV，接收距离为15cm，纺丝速度1.0mL/h，制得到PVDF疏水纳米纤维膜基膜；

S3：TiO

实施例5

本实施例提供一种光催化-蒸馏一体化膜的制备方法及其制备的一体化膜在污水处理中的应用。

一种光催化-蒸馏一体化膜的制备方法，具体包括如下步骤：

S1：TiO

S2：PVDF疏水纳米纤维膜的制备：称取0.72g聚偏氟乙烯(PVDF)粉末缓慢加入到9g丙酮/N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中，加热至温度为60℃，连续搅拌溶解3h，至溶液澄清透明，得到PVDF纺丝液，利用静电纺丝技术对纺丝液进行静电纺丝，静电纺丝参数电压为25kV，接收距离为20cm，纺丝速度1.0mL/h，制得到PVDF疏水纳米纤维膜基膜；

S3：TiO