CN101716469A - 一种用于净化水的仿生光催化膜分离组件 - Google Patents
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Abstract
一种用于净化水的仿生光催化膜分离组件，属于膜分离、光催化材料和水处理技术领域。本发明的目的是模拟植物叶片和植株形态，制备光催化分离膜，使膜组件空间利用合理，结构灵活，更容易受到水流气流的扰动，减轻污染物在膜表面的沉积，并充分利用光照，提高光的利用率。其特征是利用植物叶片的分形特征，制作仿生膜片，利用树木分支结构和仿生原则，组装仿生膜组件，使组件光利用率得到提高；膜组件灵活的结构，有利于利用气流水流扰动作用减少污染物沉积，防止催化剂失活。本发明的效果和益处是：提供了一种新型仿生光催化膜分离组件的制备方法和利用该膜组件高效光催化膜分离净化水中污染物的方法。广泛适用于光催化去除污染物和水体净化。
Description
技术领域
本发明属于光催化材料和水处理与净化技术领域。涉及到利用仿生原理，将含有光催化剂的膜片制成具有叶片、植株形貌和结构仿生特点的、新的催化分离复合膜及净水膜组件。具体涉及到利用叶片和植株的形貌作为膜组件设计原则，是膜组件具有合理的空间布局，一方面具有高效利用光能的特点，另一方面具有利用水流气流扰动，来减少水中污染物在膜表面沉积污染的特点。该组件的膜分离功能与光催化功能组合，具有双重净水功能。
背景技术
我国是一个缺水的国家，社会的可持续发展、生态和人群的健康与安全，有赖于水的处理和净化技术。水的净化可采用多种方法，包括光催化、过滤、沉淀、絮凝、膜分离等。
用光催化方法净化水近来得到了广泛研究，一方面扩展了光的利用范围，使利用可见光、日光进行光催化成为可能；然而如何充分利用自然光照，将表面负载催化剂的膜材料进行有效空间布置是一个问题，尚没有得到研究。另一方面，为了回收光催化剂，各种固定、负载方法被用来固定光催化剂。负载材料包括沸石、活性炭、金属板等。这些载体不一定具有膜的特点和分离功能；如果把光催化剂负载在膜材料上，比如金属膜、陶瓷膜、有机膜，就把膜的分离作用和光催化作用进行了叠加和复合，是具有优势的技术。它不仅可以截留大的颗粒物或者大分子，胶体等，同时也可以光催化氧化吸附的污染物(HMZhang，XieQUAN，Shuo Chen，HM.Zhao，、Env.Sci.Tech.2006，40，6104-6109)。又如Liu LF等人把光催化剂和吸附材料负载在滤布上，制备了具有过滤分离和催化再生性能的柔性的吸附、催化和膜分离材料。催化剂和吸附剂的组成分别为零价铁/二氧化钛/活性炭纤维粉末(Lifen Liu，Chen Fang，Fenglin Yang，Stable photocatalytic activity of immobilized FeO/TiO2/ACF on composite membranein degradation of 2，4-dichlorophenol，Separation and purification technology，onlineSept 16，doi 2009.10.106/iseppur)，或者利用表面改性负载PVA使膜材料更亲水、抗污染，同时利用一种高分子吸附材料和光催化剂成分，使膜具有吸附污染物和光催化降解污染物的功能(Lifen LIU，Lu，Xiao；Fenglin Yang，Terylenemembrane modification with Polyrotaxanes，TiO2 and Polyvinyl alcohol for betterantifouling and adsorption property，Journal of membrane science，2009 Feb.doi10.1016/j.memsci.2009.02.005)。也可以利用壳聚糖作为提高膜亲水性的组分，与吸附和催化成分共同负载在一种过滤膜材料表面，使膜具有过滤分离、吸附和光催化再生性能(Lifen Liu，Yu Du，Penghui Zhang，Fenglin Yang，Regenerativeadsorptive membrane for removing micropollutant EDCs from water，Advancedmembrane technology IV，membrane for clean and sustainable processes，June 7-122009，Trondheim Norway，Engineering Conference International(ECI)，有如碳纳米管复合二氧化钛的分离膜同样具有吸附和光催化降解污染物的性质(柳丽芬，郑国华，杨凤林.MWNTs/TiO2/聚酯复合膜及其吸附性能.中国环境科学，2009)。
光催化膜尚有这样一些问题：
(1)污染物会在膜表面沉积吸附，形成污染，妨碍光催化剂发生作用；光催化剂表面一旦被沉积物遮挡，就得不到光照，丧失催化活性。平板膜过滤会导致水中的较大的分子和污染物沉积吸附在膜表面，不利于光催化剂发挥作用。光催化剂虽然具有自清洁功能，但是氧化污染物的速度，一般没有大的颗粒物等沉积的速度快，水中净化需要将降低颗粒物的浓度，采取比如粗过滤沉淀絮凝等操作。虽然也可以采用曝气方式，降低膜污染，平板结构一般比较僵硬，不够灵活。使膜具有随水流气流摇动的特点，为了仿照水草，叶片植株树木的结构。
(2)光线的利用率偏低的问题。具有光催化膜的结构有平板、管式，这种组件结构，不具有仿生特点，不利于利用流体的扰动作用减轻膜污染，膜污染会严重影响催化剂的活性。光催化膜组件设计一方面需要有利于使膜表面接受光照，提高光利用率，另一方面要有利于减少污染。这方面研究还不多。
在增大或控制受光面，提高光的利用方面，大自然的植物中的花草树木，给我们很好的启示。本专利申请利用仿生原理，设计了仿生形态的可组装膜组件。该组件具有自然植物仿生特点，更有效利用太阳光，还更好的利用水流气流的扰动作用。
本发明可用于景观水体等水的净化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是更好的安排光催化膜片和膜组件的空间布局，一方面充分高效利用光能，另一方面提高膜组件抗污染性能，利用水流气流扰动的作用来减轻污染。
本发明提供了一种按照仿植物果实、叶片形貌和植株形态的进行仿生设计，制备光催化膜片和膜组件的方法，更好的组合膜分离和光催化净水功能。
本发明的技术方案是采用具有出水管、中间支撑结构、上下仿生叶片、果实形貌的膜，组成仿生光催化膜片，再进一步仿生组合成具有花朵、或树枝分叉和分形结构特征的膜组件，该组件可以多级组装，制成不同的植株形貌的膜组件。
本发明的实施步骤如下：
1.按照不同的植物叶片、果实和茎部特点，仿制不同形状的一级膜片，用上下两片膜将支撑骨架材料包在里面，并将仿叶、果实、茎形状的膜片四周密封，连接一导管，作为膜分离后的渗透液既水的流体出口管。这样得到二级膜片。该膜片本身含有负载光催化剂，或制成叶片后，再把光催化材料负载在该膜片上。膜材料由有机无机复合膜材料、金属膜或者有机膜制成。膜表层光催化剂为无机成分、有机无机复合成分、金属有机光催化剂等，光催化成分具有可见光与紫外光响应和催化作用。
2.二级膜片可组装成类似花朵、植株形貌的三级结构，所含的二级结构膜片的形状、数量任意组合，由几个单个二级膜片的出口管组合，装入大的类似树枝的出水管道并密封，留出水的出口端并保持开放，形成三级结构的膜组件。
3.将三级结构膜件，按照如树枝分叉样的仿生分形结构特点，几个三级膜组件出水口汇入一个大的管子，大管中各进水管之间空隙全部密封，留出出水口端，保持其开放。进一步组装成仿树木结构的四级结构的膜组件。
4.将该组件置于水中，在光照射时，各膜片得到光照而发挥光催化净水作用；将组件的出水管连接抽吸泵，或者利用水流管道出口与上部水面的自然压差而流出。水的自然流动或者安装的曝气装置，减轻膜分离中的浓差极化，减轻水中的颗粒物在膜表面的沉积和溶解性有机物在膜上的吸附，减轻膜的污染。这样把光催化作用和膜分离的作用叠加，使水得到复合净化。
本发明的效果和益处是利用花草树木的叶片茎部形貌和植株空间结构布局和分形、组装特点，使仿生光催化分离膜和膜组件具有符合仿生原理的合理布局，各膜片的受光均匀，膜和组件结构灵活，组装方便。有利于水处理中水、气流的流动，对膜片产生扰动，减轻膜表面的浓差极化现象，减轻水中污染物在膜表面的沉积和污染，避免催化剂被覆盖失活而不能发挥光催化净化作用，水处理中更好的发挥膜分离和光催化的净化作用，提高膜组件总体光催化活性和光催化效果，更好的复合膜的催化和分离净化作用，取得更好的净水效果。
附图说明
图1是仿生光催化分离膜片支撑原料形貌示意图，其中从左向右依次为细长条状塑料支撑材料，其边缘进一步加工剪成梳状或锯齿状、圆型片状支撑骨架结构、细长椭圆支撑结构、三角型支撑结构、球型支撑结构的示意图。
图2是仿生光催化膜片组成的三级结构膜组件的示意图，其中三级结构膜组件由仿圆形叶片的二级膜片结构组装构成。
图3是仿生光催化膜片组成的三级结构膜组件的另一示意图，三级结构膜组件由长条状的仿生二级膜片结构组装而成。
图4是仿生催化膜三级、四级组装“多植株”的净水系统示意图，其中仿生草(树)为四级膜组件的示意图，相互之间有下部的水管相连。一级光催化分离处理的净水，后面接入第二级光催化分离膜系统进行进一步的处理，出水比第一级出水的水质更好。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方法和步骤。
实施例1
将金属细孔筛网膜材料或者有机膜分离膜材料，制成一级叶片形状如细长条叶片、荷叶叶片、花朵状叶片等，把塑料支撑结构骨架包裹在里面，把膜片上下四周密封，留出出水管位置，并与出水管连接，形成二级膜片结构。
把几个二级膜片的出水管纳入一个大的可称为支路水管的水管中，四周密封，形成三级膜组件结构；把三级结构的膜组件的出水管，放入一个更大的可称之为主水管的出水管中，四周密封，得到四级膜组件结构。
光催化剂事先负载在膜片上，或者组装后负载并将过活化处理。
这样得到了具有仿生植株结构的光催化分离膜的膜组件。
把几个或者更多这样的膜组件的出水管连在一起，之后固定在水中，加光照射进行光催化，使水中污染物降解去处；总出水口可连接抽吸泵，用抽吸办法或者自流出水办法，导出光催化和膜分离净化处理的水。
实施例2
仿生催化分离膜组件
利用涤纶滤布作为基膜，制作仿生膜片。利用溶胶凝胶、PVA交联热处理技术制备具有光催化活性的表面涂层。用两片膜将支撑架包裹在里面，并象叶片样四周压实密封，留有分离后的流体出口管一个。之后由多个该二级膜片组装成仿植株外形的三级催化分离膜组件。催化剂由二氧化钛掺杂系列等组成，通过紫外/可见光催化、双氧水(染料酞箐)敏化光催化等多种机制。制备膜表面催化剂涂层的条件可以控制最终复合膜涂层薄厚和增重，膜增重范围在1-20％，涂层厚度和涂层处理各步的条件影响最终复合膜的过滤效果和膜孔大小。
该复合膜对水中的有机污染物有光催化降解作用、对高岭土等悬浮物具有快速过滤去除效果。
实施例3
梯级仿生光催化分离膜组件净水系统
由上述不同数量和形貌的仿生光催化膜片的二级结构、组成类似树枝的三级膜组件结构、仿植株树木的四级结构光催化膜分离组件。
将几个或者更多不同高度的四级仿生光催化分离膜组件置于水池中，上端没入水下，下端出水管相互连接成出水管网，汇总到主出水管中。受光照和光催化作用，发挥光催化和膜分离净化功能。出水可进下一级仿生光催化组件构成的水净化池。第二级仿生催化膜组件的膜可比第一级净水池中的膜，具有更细更小的膜孔径，过滤精度更高。其中光催化剂的成分即可根据水质特点进行调节，比如杀菌或者氧化有机物，催化剂组成决定光催化活性。
当用254nm紫外杀菌灯光照射，并且叶片平均受光强度可达到366微瓦/平方厘米时，当含有10mg/g 2，4二氯苯酚的1000ml水溶液，通过2小时总面积为300cm2，含有P25TiO2的催化膜片的降解作用，再以50L/m2.h的滤速进行过滤，分离膜出水中可以去除至少50％的2，4二氯苯酚，当复合膜中混有一定比例的活性炭纤维和复合Fe/TiO2时，污染物去除可达到70-90％。
该仿生光催化分离膜组件过滤水中的高岭土，其出水浊度去除率可达到100％。
光催化分离膜组件处理光催化2h，处理含有104/ml大肠杆菌的水100ml，过滤后菌体去除效率可达到99.99％。
Claims (1)
1.一种用于净化水的仿生光催化膜分离组件，结构灵活，利用水流气流扰动，减轻污染物在膜表面的沉积，防止催化剂失活；膜组件空间利用合理，膜片接受光照均匀，提高水净化中膜组件光催化剂总的活性和光利用率；其特征是仿照植物叶片、果实形貌外部特征，加工膜片，将膜片包在具有仿生特点的支撑骨架材料外面，连接导管作为膜分离渗透出水的出水口，四周密封，构成仿生光催化二级分离膜片，膜上的光催化剂起到光催化净化水的作用，进一步按照植株分支结构及分形结构特征，将带有膜片和导管的二级光催化仿生膜件进行组装，制作具有仿生植株结构的三级、四级仿生光催化膜分离组件，这样逐级仿生组装，得到光催化仿生膜分离水净化系统。
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