[發明專利]一種表面自清潔型氮化碳類芬頓-光催化納濾膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201910018979.8
• 申請日: 2019-01-09
• 公開（公告）號: CN109569311B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 安曉強;蘭華春;王峰;劉銳平;劉會娟;曲久輝
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B01D69/02
• 分類號: B01D69/02;B01D69/10;B01D71/02;B01D67/00;C02F1/44;C02F1/30;C02F1/72
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢;吳愛琴

本發明公開了一種表面自清潔型氮化碳類芬頓?光催化納濾膜及其制備方法，屬于水處理膜材料及其制備工藝領域。本發明選取兼具聚合物分子的可塑性和碳質材料的化學穩定性的氮化碳光催化劑，通過表面修飾、化學改性、類芬頓試劑復合等方法制備出多功能水處理膜。一方面利用氮化碳組成基元間的三角形納米孔洞為水分子快速通過提供穩定的天然通道，另一方面采用光照下催化降解和含鐵試劑類芬頓氧化實現納濾截留污染物的原位降解，為解決傳統納濾膜材料難以逾越的膜污染問題提供嶄新途徑。本發明制備的納濾膜具有制備方法簡單、成本低、抗污染、水傳質阻力小等優點，因此有望在水質凈化領域獲得應用。

技術領域

本發明涉及水質凈化膜材料及其制備工藝技術，具體涉及一種表面自清潔型氮化碳類芬頓-光催化納濾膜及其制備方法。

背景技術

納濾作為一種介于超濾和反滲透之間的新型膜分離工藝，可以在較低壓力下有效截留二價及高價離子、染料、有機小分子、抗生素等，因此在水處理領域有著巨大的應用前景。然而，納濾膜水處理技術仍面臨著成本過高、膜污染引起通量下降和產水水質惡化等問題，在新型膜材料開發的同時尋求破解膜污染難題的可行途徑顯得尤為重要【EnergyEnviron.Sci.2011,4,1946】。研究表明，水中NOM、有機污染物、微生物及無機鹽是引起膜污染的主要因素，盡管通過納濾膜表面改性和膜過程優化控制可以減緩膜污染，但不能從根本上消除這些導致膜污染的污染物。高級氧化技術也是廢水深度處理中常用的方法，通過自由基鏈式反應可以直接將各種污染物和微生物降解，因此可以為原位礦化膜分離所截留的污染物分子提供有效方法。其中，光催化和類芬頓被認為是高效、低耗、潔凈、無二次污染、環境友好的新型高級氧化技術，成為了環境污染物治理領域的研究熱點。將膜分離技術與類芬頓和光催化過程巧妙結合，高級氧化反應不僅可以對納濾難以截留的小分子污染物或重金屬離子進行深度氧化還原處理，更可以實現物理截留污染物的原位降解，因此有望為強化水質凈化效能和破解膜污染難題提供有力途徑。【Water Res.2013,47,5647】。

目前，已有膜分離-光催化耦合技術研究主要采用分離膜-懸浮型光催化反應器聯用或濾膜中添加光催化納米粒子的方式來實現。例如，將TiO₂光催化劑負載或嵌入到分離膜內部，光照下氧空位誘導形成的羥基使其呈現獨特的光致親水性能，可以顯著增強膜表面的抗污染能力，同時體系去除污染物性能也得到增強。此類研究所面臨的突出問題是TiO₂光譜利用范圍窄、非光活性有機物影響光催化活性、催化劑納米粒子難以致密成膜等。尋求具有可見光催化活性和物化穩定性、能夠自身形成致密疊層結構的材料用于光催化納濾膜制備，將是未來膜分離-光催化耦合技術研究的重要方向【Adv.Funct.Mater.2017,27,1700251】。由于原料廉價易得、合成方法簡便、易于大規模制備、穩定性高等特點，石墨相氮化碳(g-C₃N₄)成為了近年來研究的熱點材料，光照下催化降解污染物的能力，使其成為新型光催化凈水膜開發的絕佳選擇。特別是，氮化碳以三嗪C₃N₃或3-s三嗪C₆N₇為基本單元周期性排布形成類石墨烯型二維共軛結構，使其在兼具聚合物分子可裁剪性和碳質材料化學穩定性的同時，以基元間的三角形納米孔洞為水分子傳輸提供快速通道【Angew.Chem.Int.Ed.,2017,56,8974】。因此，相對于難以規模化制備的碳納米管陣列和水透過率低、結構穩定性差的氧化石墨烯而言，g-C₃N₄在多功能凈水膜的開發中更具優勢。

盡管基于氮化碳開發高截留率、高水通量、表面抗污染的光催化凈水膜具有巨大的應用前景，但是熱聚合方法制備出的體相材料通常具有較大的尺寸、有限的表面活性官能團以及溶劑中差的分散性，這些特性給聚合物分子精細結構調控和均質膜的形成帶來了新的挑戰。因此，亟需在未來研究中通過氮化碳分子的表面修飾改性探索規模化制備氮化碳基納濾膜的新工藝。

發明內容