[发明专利]非对称中空纤维钛基膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种非对称中空纤维钛基催化膜及其制备方法，属于新型膜材料技术领域。包括如下步骤：(1)配置含钛粉末、聚合物粘结剂、有机溶剂、助剂的铸膜液；(2)通过干/湿纺丝法制备钛基中空纤维膜前驱体；(3)在无氧气氛下于900℃～1500℃高温处理，得到中空纤维钛基膜；(4)以TiO₂层为前驱体制备亚氧化钛催化层。该种非对称中空纤维钛基催化膜可用于微污染废水的深度处理，具有稳定性好、可重复利用的优点。本发明制备的非对称中空纤维钛基催化膜能够解决现有催化膜材料填充密度低、催化性能较弱的问题，且具有制备方法简单、设备要求低、能耗低的优点，有利于工业化生产和大规模应用。

技术领域

本发明属于新型膜材料领域，具体涉及一种钛基中空纤维膜及其制备方法。

背景技术

随着生产力的快速发展，产生的废水成分日趋复杂。膜分离技术由于操作简单、无化学药剂添加在污水处理方面获得了广泛的关注。然而，传统的膜分离技术只依靠物理截留和筛分作用，在水处理过程中存在一定局限；微滤和超滤能耗低，通量较大，但截留能力不足；纳滤和反渗透能够基本去除水中有害物质，净化微污染水，但是处理能耗高且只能实现污染物的截留和浓缩，不能彻底降解污染物，此外还容易受到膜污染的影响。有研究人员发现，将膜分离技术与电化学高级氧化技术耦合，在电场的辅助作用下实时对污染物进行降解，在实现水质达标的同时能够有效的缓解膜污染，提高膜处理效率。在此基础上，研究人员将活性导电膜材料同时用作分离膜和活性电极，实现了膜电极一体化，进一步提高处理效率并降低处理能耗。

目前常用的导电膜材料主要有：钛、煤、碳纳米管。常用的形式有板式和管式，但是这两种形式的膜填充密度较低，处理水量较小。采用中空纤维膜能够解决填充密度小的问题，在相同的占地体积下能够处理更多污水。有科学家将碳纳米管所制的中空纤维膜用于水处理，取得了较优的处理效果。但是碳纳米管中空纤维膜强度相对较低，不易于大规模生产和应用，且受限于炭材料本身的性质，无法承受较高的电压，对于一些氧化电位较高的污染物不能有效的去除。此外对于自身氧化活性较弱的导电膜材料如金属钛和炭材料而言，通常需要在其表面负载电化学催化剂(如：V₂O₅、PbO₂、ZnO、CuO等)提升其催化氧化活性，这使得在水处理过程中，容易存在催化剂溶解析出使得水体受到重金属离子二次污染的风险。

为了解决上述问题，本发明提供了一种非对称中空纤维钛基催化膜的制备方法，钛材料性质稳定，其氧化物催化效率高且环境友好，在不产生二次污染的前提下，能够有效的提高填充密度和机械强度，在电场辅助下该非对称膜能够提高微污染水的处理效率。该非对称中空纤维钛基催化膜同时兼具金属材料强度大、韧性好和中空纤维材料比表面积大、膜利用率高的特点，大大降低了装备体积和投资成本，具有很大的发展前景和巨大的市场潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稳定性好、制备简单的可用于微污染水深度处理的中空纤维钛基催化膜，改善填充密度低、膜污染等问题。

为实现上述目的，本发明应用相转化技术制备具有非对称复合结构的中空纤维膜，通过控制高温处理条件形成坚固稳定的金属支撑层，并通过在膜表面构建催化层，增强膜的电催化性能，对微污染物有更高的处理效率。

本发明提供了膜分离/电催化双功能非对称钛基中空纤维膜及其的制备方法，具体技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种非对称中空纤维钛基催化膜，所述非对称中空纤维钛基催化膜包括管状结构的中空纤维钛膜和负载于所述中空纤维钛膜外表面的催化层，所述催化层为亚氧化钛；所述中空纤维钛膜由外至内分为分离层和支撑层；所述支撑层为钛层。

优选地，所述催化层负载量为0.01％～10％；所述非对称中空纤维钛基催化膜具有多孔结构，平均孔径为0.05～10μm，孔隙率为20％～70％。

另一方面，本发明提供了上述非对称中空纤维钛基催化膜的制备方法，分为钛中空纤维膜基体制备和催化层制备，包括如下步骤：