具有自清洁功能电催化膜材料设计、制备及性能研究

膜污染是膜分离过程无法解决的难题，已成为制约膜技术大规模应用的瓶颈，是发展膜技术必须解决的关键问题。本课题利用炭膜良好的导电性，采用表面修饰、溶胶-凝胶等方法将具有电催化功能的纳米催化剂负载于炭膜基体上制备一种具有自清洁功能的电催化膜材料。通过电催化与膜分离技术有机耦合，实现膜分离过程强化及膜材料自清洁双重功能。本课题将着重研究炭膜基体的性能，催化剂种类、成分、相结构、分布以及负载量与其电催化性能之间关系及规律；借助FT-IR、XRD、XPS、EBSD、SEM等手段表征催化剂在膜表面的微观形貌与结构，探索催化剂与炭膜间结合方式及形成机制；研究电催化膜的电催化反应动力学、自清洁机理及与膜分离的协同效应，实现电催化膜的可控制备。本课题研究成果对丰富和发展膜科学以及电化学的基础理论，为膜技术处理工业废水及回用提供重要技术支撑，对改善环境、实现污水资源化利用具有重要的学术价值和广泛的应用前景。

膜污染是膜分离过程无法解决的难题，已成为制约膜技术大规模应用的瓶颈，是发展膜技术必须解决的关键问题。本课题利用管式炭膜（Φ10×300mm）良好的导电性（电阻率达1.0×10-3Ω·m），采用表面修饰、溶胶-凝胶等方法将具有电催化功能的纳米TiO2负载于管式炭膜基体上制备一种具有自清洁功能的电催化膜材料。研究结果表明，经H2O2和HNO3改性后，炭膜表面的羟基和羧基等亲水性含氧官能团数目增多，改善了炭膜的亲水性能，膜通量提高了一倍以上。所制备的TiO2/炭膜中TiO2锐钛矿晶粒尺寸7.8nm，平均孔径0.44mm。TiO2与炭膜上C-O官能团相互作用形成化学键合作用，加快了电子转移速率，提高了其电催化性能。基于电催化氧化原理，以电催化膜为阳极，辅助电极不锈钢为阴极，通过导线与直流电源相连接构成电催化膜反应器。在处理200ppm含油废水时，结果表明在200min的操作时间内，电催化膜通量仅下降了9.6%，COD去除率达到了94.4%，均优于传统膜分离过程。借助电化学工作站阐明了电催化膜对有机物催化氧化的机理为间接氧化过程，其优异性能是由电催化与膜分离协同作用所致。本课题成果的实施对丰富和发展膜科学以及电化学的基础理论，为膜技术处理工业废水及回用提供重要的技术支撑，对改善环境、实现污水资源化利用具有重要的学术价值和广泛的应用前景。