二氧化钛基纳滤膜的制备及其分离性能调变

水污染是目前主要的环境问题之一，对人类的健康构成威胁。人类的活动使大量合成的和天然的化学物质进入水体系统形成微污染物，其中有机污染物难于用传统的水处理方法去除。针对有机污染物的去除，本项目拟采用聚合溶胶-凝胶技术制备TiO2基纳滤膜，通过改变组成和制备条件来改变膜的孔结构和孔表面性质，利用选定的有机污染物表征TiO2基纳滤膜的分离性能，研究膜的组成和制备条件对膜的孔结构、表面性质、分离性能的影响，获得满足要求的TiO2基纳滤膜；将TiO2基纳滤膜用于水体中不同种类典型有机污染物的去除，研究膜的孔结构和孔表面性质对分离性能的影响，提出用于去除有机污染物的TiO2基纳滤膜分离性能的调变机理；通过研究有机污染物造成膜污染的特征和机理，并与不同前处理工艺结合，优化TiO2基纳滤膜的组成和制备工艺及膜分离操作条件，为设计制造适用于有机污染物去除的TiO2基纳滤膜组件提供科学基础和技术支持。

膜分离和吸附是水处理常用技术，膜与吸附剂是膜分离与吸附应用的关键材料。本项目采用溶胶-凝胶法制备介孔结构的TiO2超滤膜和具有微孔结构的TiO2纳滤膜TiO2-ZrO2纳滤膜，研究了组成、制备条件对膜的物相、孔结构、微结构、完整性的影响以及有机物吸附可能造成的TiO2膜污染，并对在水处理应用中可能用于纳滤前处理的无机吸附剂的吸附性能与再生进行可研究，对膜分离与吸附的实际应用具有重要意义，得到主要研究结果：（1）用粒子型溶胶制备TiO2超滤膜，溶胶中添加剂含量和焙烧温度对孔结构有显著影响，溶胶浓度、涂膜时间和涂膜次数决定TiO2超滤膜中超滤层的厚度和完整性；在优化的制备条件下得到无缺陷TiO2超滤膜，孔径分布于3 - 10 nm之间，孔隙率>40%。（2）以Ti(i-OC3H7)4和Zr(n-OC4H9)4为原料，控制水解，制备的TiO2聚合溶胶与TiO2-ZrO2聚合溶胶中聚合物具有分形特征，分形数<2，在反应过程中聚合物的数量和大小均增大。Zr/(Zr+Ti)增加和H2O/M4+增大均使溶胶中聚合物的分形数增大；在30℃-60℃范围内，反应温度对聚合物的分形数的影响很小。（3）聚合型溶胶的组成、反应时间、干燥和焙烧条件对微孔TiO2膜和TiO2-ZrO2膜的孔结构有显著影响，微孔TiO2膜的最佳烧结温度为350℃，含10-20(mol)% ZrO2的TiO2-ZrO2膜的最佳焙烧温度为400℃，微孔膜的物相取决于组成和焙烧温度。（4）用聚合型溶胶制备TiO2纳滤膜和TiO2-ZrO2纳滤膜，溶胶浓度和浸涂时间决定纳滤层厚度和完整性，溶胶浓度一般不超过0.05 mol/L。（5）TiO2膜对离子型染料的吸附性质与其表面荷电性质有关，选择合适的pH值范围，可以防止离子型染料吸附对TiO2膜造成污染。（6）溶液初始浓度和pH值对介孔TiO2和Al2O3对离子型染料的吸附量有很大影响，吸附了离子型染料的介孔TiO2和Al2O3可通过调节pH值进行再生；介孔C/Al2O3对亚甲基蓝染料的吸附量远高于常见氧化物吸附剂，但不可通过调节pH值进行再生。