光催化-膜分离耦和技术

1、光催化光催化-膜分离耦合技术在膜分离耦合技术在水处理中的应用水处理中的应用高等水处理工程课程作业LOGO讲解目录1234背景篇机理篇应用篇趋势篇LOGO光催化氧化技术优点高效、节能、适用范围广。光催化剂悬浮使用时效果最佳。不足光催化剂不易被传统分离技术分离回收，重复利用率低，排出液易产生二次污染。解决悬浮型磁载TiO2光催化剂纳米TiO2微球背景篇LOGO背景篇膜分离技术 通过膜表面的微孔截留作用分离水中污染物，无相变和二次污染，可常温操作，具有能耗低、设备体积小、操作方便、容易放大等优势。膜污染问题化学清洗人工清洗耗时、耗力LOGO背景篇光催化-膜分离耦和技术光催化-膜分离耦合光催化技术膜分

2、离技术保持光催化技术原有优势膜分离充分发挥其作用解决或缓解制约两者发展的问题产生一系列耦和效应LOGO光催化技术机理主体：纳米材料+紫外光机理篇TiOTiO2 2+hv TiO+hv TiO2 2(e(eCBCB-+h-+hVB+VB+) )TiOTiO2 2(h(hVB+VB+)+H)+H2 2O TiOO TiO2 2+H+H+ +OH+OH TiOTiO2 2(h(hVB+VB+)+OH)+OH- -TiOTiO2 2+OH+OH TiOTiO2 2(e(eCBCB- -)+O)+O2 2TiO2+OTiO2+O2 2- - O O2 2- -+H+H+ +OHOH2 2 OHOH2 2

3、+HO+HO2 2HH2 2O O2 2+O+O2 2 TiOTiO2 2(e(eCBCB- -)+ H2O2OH)+ H2O2OH+OH_ +OH_ H H2 2O O2 2+ O+ O2 2- -OHOH+OH+OH- -+O+O2 2 H H2 2O O2 2+hv 2OH+hv 2OH 有机物有机物+OH+OH降解产物降解产物 有机物有机物+ TiO+ TiO2 2(h(hVBVB+ +)氧化产物氧化产物 有机物有机物+ TiO+ TiO2 2(e(eCBCB- -)小分子产物小分子产物LOGO机理篇光催化灭菌机理1、紫外光激发TiO2产生电子-空穴对，再直接或间接与细菌的细胞作用，空

4、穴具有非常强的氧化能力，直接氧化细胞壁、细胞膜和细胞内的组织导致细菌死亡。2、光生电子或空穴先与水或水中溶解的氧反应，生成OH或HO2等活性氧类，在与细胞壁、细胞膜和细胞内的组成成分发生化学反应。LOGO机理篇膜分离机理推动力：浓度差、压力差、电位差渗析式膜分离料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差推动下，透过膜进入接受液。（渗析、电渗析）过滤式膜分离利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过膜的速率差别，达到组分分离。（超滤、微滤、反渗透）液膜分离液膜与料液和接受液互不混溶，液液两相通过液膜实现渗透，类似于萃取与范萃取的组合。LOGO机理篇强化效应强化效应+光催化膜分离增大污染物的停留时间，使

5、光催化剂与污染物质充分接触纳米光催纳米光催化化- -膜分离膜分离耦合耦合纳米材料纳米材料紫外紫外膜膜吸附吸附抑菌抑菌控制膜污染控制膜污染消毒消毒光催化光催化截留截留材料循环利用材料循环利用光催化剂降低污染物质浓度，且在膜表面形成疏水性的滤饼层，减轻膜污染LOGO应用篇应用形式光催化-膜分离耦合形式悬浮型光催化-膜分离耦合工艺负载型光催化-膜分离耦合工艺一体式分置式表面负载内部嵌套LOGO应用篇分置式悬浮型光催化-膜分离耦合形式LOGO应用篇解立平等研发的新型一体式光催化氧化-膜分离反应器示意图LOGO应用篇负载型光催化-膜分离耦合示意图LOGO应用篇1黄涛，蒋华兵，张国亮等。炫富泰光催化超滤膜

6、反应器处理4BS染料废水。水处理技术，2009，35：72-75 2Zhang H，Zhang G L，Yang Z H，etal. Degradation of azo dye wastewater in a TiO2 photo catalysis and membrane separation Hybrid system. Chinese J Catal,2009,30:679-6843Grzechulska-Damszel J, Tomaszewska M, Morawski A W. Integration of photo catalysis with membrane proce

7、sses for purification of water contaminated with organic dyes. Desalination, 2009,241:118-126 1Benotti M J, Stanford B D, Wert E C, etal. Evaluation of a photo catalytic reactor membrane pilot system for the removal of pharmaceuticals and endocrine disrupting compounds from water. Water Res, 2009,43

8、:1513-15222Horng R Y, Huang C P, Chang M C,etal. Application of TiO2 photo catalytic oxidation and non-woven membrane filtration hybrid system for degradation of 4-chlorophenol. Desalination, 2009,245:169-1823Ho D P, Vigneswaran S, Ngo H H. Photo catalysis-membrane hybrid system for organic removal

9、from biologically treated sewage effluent. Sep Purif Technol,2009,68:145-152 1Le-Clech P,Lee E K, Chen V. Hybrid photocatalysis/membrane treatment for surface waters containing low concentrations of natural organic matters. Water Res,2006,40:323-3302Tsarenko S A, Kochkodan V M, Samsoni-Todorov A O,e

10、tal. Removal of humic substances from aqueous with a phocatalytic membrane reactor. Colloid J,2006,40:323-330目前研究较少应用领域污水处理给水处理偶氮染料有毒有机物地表水天然有机物微生物应用领域LOGO应用篇研究内容及程度 涉及机理研究、设备研究（即组合方式研究）和操作条件优化的研究。 在机理方面，主要包括悬浮态光催化-膜分离耦合工艺中膜污染机理的研究、光催化剂对有机物、病毒的降解机理的研究等； 组合方式研究方面主要探索经济、简便的最佳组合工艺； 操作条件的研究旨在找出影响组合工艺处理效

11、果因素的最佳条件，以及制备性能优良的光催化复合膜的条件。 总体来说，现今的文献对工程方面的研究较多，而机理方面的研究则相对较弱。LOGO应用篇影响因素水质光催化剂浓度耦合膜pH污染物初始浓度温度膜材质膜孔径TMP曝气LOGO应用篇pHv光催化效率 TiO2表面状态发生变化，影响吸附-解吸过程，进而影响光催化氧化过程；降解有机物结构不同，pH变化对其降解过程影响不同。v膜通量与膜阻力 pH变异引起悬浮体系中催化剂颗粒团聚或分散，导致历经变化，对膜通量产生影响；不同pH下，污染物分子与膜光催化层间静电吸引不同，影响膜表面污染物的吸附量。污染物初始浓度v光催化效率 浓度增大将影响紫外光的透过性，污染

12、物本身对紫外光有吸收，过大浓度将造成光催化效率降低。LOGO应用篇v膜污染 污染物对光催化剂和分离膜的吸附和沉积现象明显，使膜污染倾向增大。温度v光催化效率 增温有助于增加传质速率，促进反应物与TiO2颗粒表面的结合及降解产物的脱附，从而提高光催化效率。v膜通量 通过影响溶液的粘度间接影响膜通量。温度越高，粘度越低，在膜上易形成紊流，冲散浓差极化与滤饼层，减小过膜阻力，提高膜通量。催化剂LOGO应用篇悬浮型光催化-膜分离工艺v光催化速率 低于最佳投加量限制反应速率，过高会引起体系中光路的堵塞剂光散射现象的发生，体系中有效光子数量相对较少，反应速率降低。v膜通量 投加量对膜通量影响不大，投加量增

13、加时，颗粒间更易发生凝聚，粒径增大，从而在膜表面形成较疏松的沉积层，阻止细小颗粒直接吸附在膜表面和膜孔内。表面负载型光催化-膜分离工艺v负载牢固程度 负载不牢，不仅达不到催化剂回收利用的目的，且降低光催化效率，影响出水水质。v负载量LOGO应用篇 在一定范围内，负载层越厚，系统处理效果越好。达到一定厚度再增加时，系统光催化效果基本恒定。TiO2负载厚度对耦合膜收光催化损害的程度有很大影响。v膜材质 要求膜具有一定机械强度和化学稳定性。负载型中膜与催化剂间需有较强的结合作用、对被降解污染物有较强吸附性、有利于固-液传质及良好的透光性。v膜孔径 孔径直接影响膜通量，应在保证对目标污染物合适的截留率

14、的前提下，尽量增大膜孔径。v跨膜压力（TMP） 压力增大，膜表面污染层压实，膜寿命缩短。v曝气 使催化剂保持悬浮态；减轻膜污染。LOGO趋势篇今后研究重点催化剂耦合膜机理改性及不同形貌催化剂的研发与应用化学稳定性好，机械强度高的耦合膜的制备光催化剂度污染物质的吸附机理、降解机理、各种条件对其影响机理，膜污染机理LOGO参考文献1肖羽堂，许双双，李志花，安晓红，周蕾，张永来，Fu Q.Shiang，TiO2光催化-膜分离偶和技术在水处理中的应用研究进 展，科学通报，2010，55（12）1085-10932Sylwia,Photocatalytic membrane reactors(PMRs)in water and wastewater treatment,Se