基于TiO2和g-C3N4光催化分離膜的制備及水處理性能的研究.pdf

1、膜分離是一種有效的水處理技術(shù)，但對(duì)污染物的單一截留功能以及膜污染問(wèn)題制約了該技術(shù)的應(yīng)用。將光催化與膜分離技術(shù)相結(jié)合，形成具有光催化能力的多功能分離膜，利用光催化過(guò)程產(chǎn)生的活性氧物種(ROS)將水中的有機(jī)污染物徹底礦化分解，不但有利于提高膜處理單元的出水水質(zhì)，并且能夠有效地緩解膜污染。然面，迄今以TiO2基納米材料為主的光催化分離膜仍然存在不足，例如光生電荷復(fù)合率高，僅能利用紫外光等。為此，本文分別設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于TiO2異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和具有

2、可見(jiàn)光響應(yīng)的g-C3N4光催化分離膜。具體的研究?jī)?nèi)容如下:
　　采用溶膠-凝膠法制備了基于碳納米管(CNTs)和TiO2異質(zhì)結(jié)的CNTs-TiO2/Al2O3光催化分離膜?？疾炝薈NTs含量對(duì)光生電荷分離效果的影響，結(jié)果表明，當(dāng)摻雜1％CNTs時(shí)，光催化功能層展示出最高的光電流密度，是單純TiO2的6倍。通過(guò)調(diào)節(jié)涂膜次數(shù)實(shí)現(xiàn)了光催化分離膜孔徑大小的可控性。以濃度為10 mg·L-1的腐殖酸（HA）為目標(biāo)物考察了光催化分離膜的水處理

3、性能，結(jié)果顯示，在光催化與膜分離的耦合工藝下，相比于TiO2/Al2O3膜，CNTs-TiO2/Al2O3膜對(duì)HA的去除率提高了10％，表明基于CNTs-TiO2異質(zhì)結(jié)的光催化分離膜由于具有更高的電荷分離能力而表現(xiàn)出更好的水處理性能。同時(shí)，耦合工藝下對(duì)HA的去除率分別是單獨(dú)的光催化工藝和單獨(dú)的膜分離工藝的4倍和2倍，耦合工藝表現(xiàn)出明顯的協(xié)同作用。CNTs-TiO2/Al2O3光催化分離膜在紫外光照射條件下滲透通量是單獨(dú)膜分離工藝的3倍，

4、表現(xiàn)出良好的抗污染能力。
　　構(gòu)建了日處理量為10t的CNTs-TiO2/Al2O3管式光催化分離膜水處理中試設(shè)備，研究了光催化分離膜工藝在水處理實(shí)際應(yīng)用中的可行性。以大連市某凈水廠經(jīng)過(guò)絮凝沉淀后的出水作為原水，考察了該中試設(shè)備的水處理性能，結(jié)果表明，光催化分離膜可以徹底去除水中濃度為105 cfu·L-1的菌類，對(duì)初始濃度分別為2.4 mg·L-1的高錳酸鹽指數(shù)和14.9 mg·L-1的總有機(jī)碳的去除效率果分別達(dá)到67％和38％

5、，展示了良好的水處理性能。
　　制備了具有可見(jiàn)光響應(yīng)的單原子層石墨相氮化碳(SL g-C3N4)光催化劑。形貌表征結(jié)果顯示SL g-C3N4尺寸分布在1-2μm，厚度為0.5 nm。其超薄的二維平面結(jié)構(gòu)不僅有利于光生電荷的擴(kuò)散，而且縮短了光生電荷從體相中遷移至催化劑表面的路徑。因此，相比于塊體材料，SL g-C3N4表現(xiàn)出更高的電導(dǎo)率和更小的電荷遷移阻力。光電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明SL g-C3N4光生電荷壽命是塊體材料的3.6倍，表面

6、的電荷密度是塊體材料的4.8倍。這些特性使SL g-C3N4具有較高的電荷分離能力，光電流密度是塊體材料的16倍。以羅丹明B（RhB）為目標(biāo)物考察了其可見(jiàn)光光催化性能，結(jié)果顯示SL g-C3N4反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)常數(shù)分別是g-C3N4納米片(g-C3N4 NS，厚度2-3 nm)、CdS、塊體g-C3N4、N-TiO2、 P25和BiVO4的3.0、8.8、10.2、16.4、37.1和93.8倍。
　　以大腸桿菌(E.coli)為目標(biāo)

7、物考察了SL g-C3N4在可見(jiàn)光下的光催化滅菌性能，結(jié)果表明，SL g-C3N4光催化劑可以在4h內(nèi)徹底殺滅初始濃度為2×107 cfu·mL-1的E.coli，在相同的操作條件下與目前報(bào)道的含Ag等重金屬元素的可見(jiàn)光光催化劑的滅菌效率相當(dāng)。同時(shí)，相比于g-C3N4 NS和塊體g-C3N4，滅菌效果分別提高了2個(gè)和3個(gè)log單位?；钚晕锓N捕獲實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明h+在光催化滅菌過(guò)程中起到主要作用。對(duì)不同反應(yīng)時(shí)段的E.coli細(xì)胞切片進(jìn)行TEM

8、的觀察，發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，E.coli細(xì)胞壁被逐漸分解，細(xì)胞質(zhì)不斷流出，表明SL g-C3N4光催化滅菌過(guò)程是通過(guò)破壞E.coli細(xì)胞壁實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)菌的徹底滅活。
　　以g-C3N4 NS/還原的石墨烯氧化物(RGO)復(fù)合材料作為光催化功能層，以醋酸纖維膜(CA)作為分離層，制備了具有可見(jiàn)光響應(yīng)的g-C3N4 NS/RGO/CA光催化分離膜。以光催化降解RhB實(shí)驗(yàn)確定了復(fù)合物中RGO的最佳摻雜比例為1％。以RhB和E.coli為