專利名稱：：一種用于凈化水的仿生光催化膜分離組件的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于光催化材料和水處理與凈化
技術領域：
。涉及到利用仿生原理，將含有光催化劑的膜片制成具有葉片、植株形貌和結構仿生特點的、新的催化分離復合膜及凈水膜組件。具體涉及到利用葉片和植株的形貌作為膜組件設計原則，是膜組件具有合理的空間布局，一方面具有高效利用光能的特點，另一方面具有利用水流氣流擾動，來減少水中污染物在膜表面沉積污染的特點。該組件的膜分離功能與光催化功能組合，具有雙重凈水功
背景技術：
：我國是一個缺水的國家，社會的可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)和人群的健康與安全，有賴于水的處理和凈化技術。水的凈化可采用多種方法，包括光催化、過濾、沉淀、絮凝、膜分離等。用光催化方法凈化水近來得到了廣泛研究，一方面擴展了光的利用范圍，使利用可見光、日光進行光催化成為可能；然而如何充分利用自然光照，將表面負載催化劑的膜材料進行有效空間布置是一個問題，尚沒有得到研究。另一方面，為了回收光催化劑，各種固定、負載方法被用來固定光催化劑。負載材料包括沸石、活性炭、金屬板等。這些載體不一定具有膜的特點和分離功能；如果把光催化劑負載在膜材料上，比如金屬膜、陶瓷膜、有機膜，就把膜的分離作用和光催化作用進行了疊加和復合，是具有優(yōu)勢的技術。它不僅可以截留大的顆粒物或者大分子，膠體等，同時也可以光催化氧化吸附的污染物(HMZhang，XieQUAN，ShuoChen，HM.Zhao，、Env.Sci.Tech.2006，40，6104-6109)。又如LiuLF等人把光催化劑和吸附材料負載在濾布上，制備了具有過濾分離和催化再生性能的柔性的吸附、催化和膜分離材料。催化劑和吸附劑的組成分別為零價鐵/二氧化鈦/活性炭纖維粉末(LifenLiu，ChenFang，F(xiàn)englinYang，StablephotocatalyticactivityofimmobilizedFe0/Ti02/ACFoncompositemembraneindegradationof2，4_dichlorophenol，Separationandpurificationtechnology,onlineS印t16，doi2009.10.106/iseppur)，或者利用表面改性負載PVA使膜材料更親水、抗污染，同時利用一種高分子吸附材料和光催化劑成分，使膜具有吸附污染物和光催化降解污染物的功能(LifenLIU，Lu，Xiao;FenglinYang，TerylenemembranemodificationwithPolyrotaxanes，Ti02andPolyvinylalcoholforbetterantifoulingandadsorptionproperty,Journalofmembranescience,2009Feb.doilO.1016/j.memsci.2009.02.005)。也可以利用殼聚糖作為提高膜親水性的組分，與吸附和催化成分共同負載在一種過濾膜材料表面，使膜具有過濾分離、吸附和光催化再生性會g(XifenLiu，YuDu，PenghuiZhang，F(xiàn)englinYang，RegenerativeadsorptivemembraneforremovingmicropollutantEDCsfromwater,AdvancedmembranetechnologyIV，membraneforcleanandsustainableprocesses,June7—122009，TrondheimNorway,EngineeringConferenceInternational(ECI)，有如碳納米管復合二氧化鈦的分離膜同樣具有吸附和光催化降解污染物的性質(zhì)(柳麗芬，鄭國華，楊鳳林.MWNTs/Ti02/聚酯復合膜及其吸附性能.中國環(huán)境科學，2009)。3光催化膜尚有這樣一些問題(1)污染物會在膜表面沉積吸附，形成污染，妨礙光催化劑發(fā)生作用；光催化劑表面一旦被沉積物遮擋，就得不到光照，喪失催化活性。平板膜過濾會導致水中的較大的分子和污染物沉積吸附在膜表面，不利于光催化劑發(fā)揮作用。光催化劑雖然具有自清潔功能，但是氧化污染物的速度，一般沒有大的顆粒物等沉積的速度快，水中凈化需要將降低顆粒物的濃度，采取比如粗過濾沉淀絮凝等操作。雖然也可以采用曝氣方式，降低膜污染，平板結構一般比較僵硬，不夠靈活。使膜具有隨水流氣流搖動的特點，為了仿照水草，葉片植株樹木的結構。(2)光線的利用率偏低的問題。具有光催化膜的結構有平板、管式，這種組件結構，不具有仿生特點，不利于利用流體的擾動作用減輕膜污染，膜污染會嚴重影響催化劑的活性。光催化膜組件設計一方面需要有利于使膜表面接受光照，提高光利用率，另一方面要有利于減少污染。這方面研究還不多。在增大或控制受光面，提高光的利用方面，大自然的植物中的花草樹木，給我們很好的啟示。本專利申請利用仿生原理，設計了仿生形態(tài)的可組裝膜組件。該組件具有自然植物仿生特點，更有效利用太陽光，還更好的利用水流氣流的擾動作用。本發(fā)明可用于景觀水體等水的凈化。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術問題是更好的安排光催化膜片和膜組件的空間布局，一方面充分高效利用光能，另一方面提高膜組件抗污染性能，利用水流氣流擾動的作用來減輕污染。本發(fā)明提供了一種按照仿植物果實、葉片形貌和植株形態(tài)的進行仿生設計，制備光催化膜片和膜組件的方法，更好的組合膜分離和光催化凈水功能。本發(fā)明的技術方案是采用具有出水管、中間支撐結構、上下仿生葉片、果實形貌的膜，組成仿生光催化膜片，再進一步仿生組合成具有花朵、或樹枝分叉和分形結構特征的膜組件，該組件可以多級組裝，制成不同的植株形貌的膜組件。本發(fā)明的實施步驟如下1.按照不同的植物葉片、果實和莖部特點，仿制不同形狀的一級膜片，用上下兩片膜將支撐骨架材料包在里面，并將仿葉、果實、莖形狀的膜片四周密封，連接一導管，作為膜分離后的滲透液既水的流體出口管。這樣得到二級膜片。該膜片本身含有負載光催化劑，或制成葉片后，再把光催化材料負載在該膜片上。膜材料由有機無機復合膜材料、金屬膜或者有機膜制成。膜表層光催化劑為無機成分、有機無機復合成分、金屬有機光催化劑等，光催化成分具有可見光與紫外光響應和催化作用。2.二級膜片可組裝成類似花朵、植株形貌的三級結構，所含的二級結構膜片的形狀、數(shù)量任意組合，由幾個單個二級膜片的出口管組合，裝入大的類似樹枝的出水管道并密封，留出水的出口端并保持開放，形成三級結構的膜組件。3.將三級結構膜件，按照如樹枝分叉樣的仿生分形結構特點，幾個三級膜組件出水口匯入一個大的管子，大管中各進水管之間空隙全部密封，留出出水口端，保持其開放。進一步組裝成仿樹木結構的四級結構的膜組件。4.將該組件置于水中，在光照射時，各膜片得到光照而發(fā)揮光催化凈水作用；將組件的出水管連接抽吸泵，或者利用水流管道出口與上部水面的自然壓差而流出。水的自然流動或者安裝的曝氣裝置，減輕膜分離中的濃差極化，減輕水中的顆粒物在膜表面的沉積和溶解性有機物在膜上的吸附，減輕膜的污染。這樣把光催化作用和膜分離的作用疊加，使水得到復合凈化。本發(fā)明的效果和益處是利用花草樹木的葉片莖部形貌和植株空間結構布局和分形、組裝特點，使仿生光催化分離膜和膜組件具有符合仿生原理的合理布局，各膜片的受光均勻，膜和組件結構靈活，組裝方便。有利于水處理中水、氣流的流動，對膜片產(chǎn)生擾動，減輕膜表面的濃差極化現(xiàn)象，減輕水中污染物在膜表面的沉積和污染，避免催化劑被覆蓋失活而不能發(fā)揮光催化凈化作用，水處理中更好的發(fā)揮膜分離和光催化的凈化作用，提高膜組件總體光催化活性和光催化效果，更好的復合膜的催化和分離凈化作用，取得更好的凈水效果。圖1是仿生光催化分離膜片支撐原料形貌示意圖，其中從左向右依次為細長條狀塑料支撐材料，其邊緣進一步加工剪成梳狀或鋸齒狀、圓型片狀支撐骨架結構、細長橢圓支撐結構、三角型支撐結構、球型支撐結構的示意圖。圖2是仿生光催化膜片組成的三級結構膜組件的示意圖，其中三級結構膜組件由仿圓形葉片的二級膜片結構組裝構成。圖3是仿生光催化膜片組成的三級結構膜組件的另一示意圖，三級結構膜組件由長條狀的仿生二級膜片結構組裝而成。圖4是仿生催化膜三級、四級組裝"多植株"的凈水系統(tǒng)示意圖，其中仿生草(樹)為四級膜組件的示意圖，相互之間有下部的水管相連。一級光催化分離處理的凈水，后面接入第二級光催化分離膜系統(tǒng)進行進一步的處理，出水比第一級出水的水質(zhì)更好。具體實施例方式以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施方法和步驟。實施例1將金屬細孔篩網(wǎng)膜材料或者有機膜分離膜材料，制成一級葉片形狀如細長條葉片、荷葉葉片、花朵狀葉片等，把塑料支撐結構骨架包裹在里面，把膜片上下四周密封，留出出水管位置，并與出水管連接，形成二級膜片結構。把幾個二級膜片的出水管納入一個大的可稱為支路水管的水管中，四周密封，形成三級膜組件結構；把三級結構的膜組件的出水管，放入一個更大的可稱之為主水管的出水管中，四周密封，得到四級膜組件結構。光催化劑事先負載在膜片上，或者組裝后負載并將過活化處理。這樣得到了具有仿生植株結構的光催化分離膜的膜組件。把幾個或者更多這樣的膜組件的出水管連在一起，之后固定在水中，加光照射進行光催化，使水中污染物降解去處；總出水口可連接抽吸泵，用抽吸辦法或者自流出水辦法，導出光催化和膜分離凈化處理的水。實施例2仿生催化分離膜組件利用滌綸濾布作為基膜，制作仿生膜片。利用溶膠凝膠、PVA交聯(lián)熱處理技術制備具有光催化活性的表面涂層。用兩片膜將支撐架包裹在里面，并象葉片樣四周壓實密封，留有分離后的流體出口管一個。之后由多個該二級膜片組裝成仿植株外形的三級催化分離膜組件。催化劑由二氧化鈦摻雜系列等組成，通過紫外/可見光催化、雙氧水(染料酞箐)敏化光催化等多種機制。制備膜表面催化劑涂層的條件可以控制最終復合膜涂層薄厚和增重，膜增重范圍在1_20%，涂層厚度和涂層處理各步的條件影響最終復合膜的過濾效果和膜孔大小。該復合膜對水中的有機污染物有光催化降解作用、對高嶺土等懸浮物具有快速過濾去除效果。實施例3梯級仿生光催化分離膜組件凈水系統(tǒng)由上述不同數(shù)量和形貌的仿生光催化膜片的二級結構、組成類似樹枝的三級膜組件結構、仿植株樹木的四級結構光催化膜分離組件。將幾個或者更多不同高度的四級仿生光催化分離膜組件置于水池中，上端沒入水下，下端出水管相互連接成出水管網(wǎng)，匯總到主出水管中。受光照和光催化作用，發(fā)揮光催化和膜分離凈化功能。出水可進下一級仿生光催化組件構成的水凈化池。第二級仿生催化膜組件的膜可比第一級凈水池中的膜，具有更細更小的膜孔徑，過濾精度更高。其中光催化劑的成分即可根據(jù)水質(zhì)特點進行調(diào)節(jié)，比如殺菌或者氧化有機物，催化劑組成決定光催化活性。當用254nm紫外殺菌燈光照射，并且葉片平均受光強度可達到366微瓦/平方厘米時，當含有10mg/g2，4二氯苯酚的1000ml水溶液，通過2小時總面積為300cm2，含有P25Ti02的催化膜片的降解作用，再以50L/m2.h的濾速進行過濾，分離膜出水中可以去除至少50%的2，4二氯苯酚，當復合膜中混有一定比例的活性炭纖維和復合Fe/Ti(^時，污染物去除可達到70-90%。該仿生光催化分離膜組件過濾水中的高嶺土，其出水濁度去除率可達到100%。光催化分離膜組件處理光催化2h，處理含有10Vml大腸桿菌的水100ml，過濾后菌體去除效率可達到99.99%。權利要求一種用于凈化水的仿生光催化膜分離組件，結構靈活，利用水流氣流擾動，減輕污染物在膜表面的沉積，防止催化劑失活；膜組件空間利用合理，膜片接受光照均勻，提高水凈化中膜組件光催化劑總的活性和光利用率；其特征是仿照植物葉片、果實形貌外部特征，加工膜片，將膜片包在具有仿生特點的支撐骨架材料外面，連接導管作為膜分離滲透出水的出水口，四周密封，構成仿生光催化二級分離膜片，膜上的光催化劑起到光催化凈化水的作用，進一步按照植株分支結構及分形結構特征，將帶有膜片和導管的二級光催化仿生膜件進行組裝，制作具有仿生植株結構的三級、四級仿生光催化膜分離組件，這樣逐級仿生組裝，得到光催化仿生膜分離水凈化系統(tǒng)。全文摘要一種用于凈化水的仿生光催化膜分離組件，屬于膜分離、光催化材料和水處理
技術領域：
。本發(fā)明的目的是模擬植物葉片和植株形態(tài)，制備光催化分離膜，使膜組件空間利用合理，結構靈活，更容易受到水流氣流的擾動，減輕污染物在膜表面的沉積，并充分利用光照，提高光的利用率。其特征是利用植物葉片的分形特征，制作仿生膜片，利用樹木分支結構和仿生原則，組裝仿生膜組件，使組件光利用率得到提高；膜組件靈活的結構，有利于利用氣流水流擾動作用減少污染物沉積，防止催化劑失活。本發(fā)明的效果和益處是提供了一種新型仿生光催化膜分離組件的制備方法和利用該膜組件高效光催化膜分離凈化水中污染物的方法。廣泛適用于光催化去除污染物和水體凈化。文檔編號B01D69/10GK101716469SQ200910219989公開日2010年6月2日申請日期2009年11月12日優(yōu)先權日2009年11月12日發(fā)明者于心瑞,楊鳳林,柳麗芬,趙雅靜申請人:大連理工大學