可见光响应型TiO2纳米管在光催化-膜反应分离耦合体系中的行为研究

本项目旨在对新型一维结构的可见光响应型TiO2纳米管TNTs-膜光催化反应分离耦合过程开展探索性科学研究。首先，采用酸性溶胶法及水热法制备良好管结构的TiO2纳米管催化剂，并进行不同方法的共掺杂改性，使其具有弱紫外乃至可见光响应。分析TNTs掺杂改性的机理以及共掺元素之间的协同作用，研究其在不同目标污染物体系中的行为和反应动力学。其次，选择不同高分子膜材料制备平膜并亲水改性，与可见光响应型TNTs一起构建新型的悬浮光催化-膜耦合体系。考察不同类型的压力驱动膜及分离过程，进行与TNTs耦联的膜工艺比选和设计。研究不同类型和结构的催化剂在耦合体系中存在的状况，从催化剂和膜材料结构特性出发，分析污染形成机理，进行抗污染和清洗实验。最后，研究TNTs和TiO2颗粒在不同污染物体系中的团聚与吸附现象，分析相间传递现象及材料结构对传递的影响。研究结果将为建立绿色资源化型耦合工艺提供新材料和新方法。

课题以一维TiO2纳米管TNTs和功能高分子膜的材料特性及光催化反应的原理为出发点，通过研究不同维度纳米TiO2催化剂光催化-膜反应耦合体系的反应和分离现象，对新型一维结构TiO2纳米管TNTs-膜光催化反应分离耦合过程中的催化剂制备材料学、光催化反应动力学和传质规律进行了深入探讨，为高效、抗污染新型膜-分离耦合过程的设计和优化提供了理论依据。首先，进行了TiO2纳米管光催化剂的制备研究，采用水热法制备出高性能的TiO2纳米管TNTs，考察了不同水热温度、水热时间和煅烧温度对TNTs形貌及活性的影响；将自制TNTs应用于降解活性艳蓝X-BR染料废水，且与P25催化剂粉末的紫外光催化效果进行了对比，同时考察了pH对其活性效率的影响。其次，对TNTs进行二次水热法改性，制备了氮掺杂TiO2纳米管N-TNTs，使其具有可见光响应能力。通过二次水热处理，首次获得了管形状良好的N-TNTs，其晶相由无定型态转变为锐钛矿相，同时N的掺杂可以细化晶粒，提高结晶度。以活性艳蓝为目标污染物，考察了其可见光光催化活性，发现N-TNTs的可见光催化活性明显高于未掺杂TNTs。第三，采用不同材料的微滤膜，初步构建了新型的TiO2纳米管光催化-微滤膜反应分离耦合体系。以零维P25催化剂粉体为参照物，进行了相关试验，比较其膜通量、截留率及膜污染变化情况，证明了一维TNTs在光催化-微滤膜反应分离耦合体系中的特点和优势。第四，进行不同维度TiO2光催化剂（粉/管/线）胶体特性和团聚行为研究。采用水热法制备出一维TiO2纳米线TNW，与零维TiO2纳米粉及一维TNTs共同构成用于SPMR体系构建所需的不同维度的催化剂体系。通过表面电荷测定、形貌观察和沉降实验，首次研究了三种不同形貌催化剂颗粒在水相中的胶体特性和团聚沉降行为，揭示了不同形貌光催化剂在水相中稳定性的变化规律，采用经典DLVO理论，从理论上分析了颗粒间的相互作用。最后，采用不同材料的超滤膜，构筑了由新型TiO2催化剂纳米粉/管/线组成的完整的全系列光催化-膜反应分离耦合体系，并进行反应分离耦合现象研究。通过SEM微观结构观察、滤饼层比阻计算和压密系数比较，研究膜表面滤饼层的特性，讨论了不同维度催化剂在UF膜表面沉积过程中的团聚和形貌效应。分析了活性艳红X-3B染料降解的中间产物，考察了其对催化剂团聚、膜分离过程膜通量的影响。