[发明专利]一种PVDF/碳纤维基MFe2O4型光催化导电过滤膜耦合MBR/MFC的方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源与环境污染控制领域，特别涉及到耦合生物光电催化与过滤膜实现污水高效处理，提出了一种制备MFe₂O₄型光催化导电过滤膜在 MBR/MFC体系处理废水的方法。

背景技术

膜生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR)是目前废水处理领域常见的二级处理技术，但是膜污染及高能耗两大瓶颈问题严重影响了其广泛应用。近几年，有研究将微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)与MBR耦合，制备导电膜用作阴极，可大大减缓膜污染程度，提升膜的抗污染性能并延长其使用周期。并且，MFC用作污水处理是往往出水水质不达标准，采用导电膜作为阴极过滤出水，其水质较好，完全达到排放标准。

目前污水处理领域面临的难题较多，并且，各种医药费水，养殖废水、农业废水中含有大量的抗生素，富N有机物、持久性难降解污染物等，这大大增加了废水处理的难度。常规的生化处理法不能将这些污染物高效去除，光催化法可产生羟基自由基、超氧自由基等活性物种，可高效降解水中污染物。将光催化法引入到MFC与MBR耦合体系(MFC/MBR)，可实现复杂废水的高效节能处理。徐璇等人(CN103159331A)公开了一种光催化协同微生物燃料电池技术处理污水同时发电的方法及装置，其装置是采用紫外光催化在阳极辅助微生物颜料电池降解废水中有机物好氨氮。李娜娜等人(CN)公开了一种具有导电和光催化功能聚合物/无机物粒子杂化分离膜，在高压反应釜中加入二氧化钛，并与铸膜液高速搅拌后凝固而成。到目前为止，在废水处理领域采用生物阳极产电驱动并在阴极辅以光催化和MBR过滤实现废水处理还未见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对MBR方法处理废水时的膜污染和高能耗问题，制备了一种MFe₂O₄型光催化剂负载的碳纤维基/PVDF光催化导电过滤膜，并将该膜用在阴极在微生物燃料电池产电驱动下处理污水并辅助光催化及 MBR实现废水的高效处理。

本发明的技术方案：

一种PVDF/碳纤维基MFe₂O₄型光催化导电过滤膜耦合MBR/MFC的方法，步骤如下：

(1)采用微波加热法制备MFe₂O₄磁性光催化纳米材料

将三价铁系物和二价金属化合物按照摩尔比为2:1混合，加入乙二醇溶剂中，通过5-13mol/L NaOH溶液调节体系为碱性，搅拌均匀后超声3-20min，然后微波快速加热至溶剂完全蒸发，用去离子水洗涤，过滤，真空干燥得到MFe₂O₄磁性光催化纳米材料；

所述的三价铁系物是三价铁化合物，如氯化铁、硝酸铁、硫酸铁等；

所述的二价金属化合物包括二价镁化合物，二价锰化合物，二价铁化合物，二价镍化合物，二价锌化合物、二价钴化合物、二价钡化合物等；

(2)PVDF/碳纤维基MFe₂O₄型光催化导电过滤膜的制备

在质量百分比浓度为5％-16％的PVDF铸膜液中加入碳粉末，碳粉末的质量为PVDF铸膜液质量的1％-10％，搅拌均匀，添加PVDF铸膜液质量的0.5％-10％的MFe₂O₄磁性光催化纳米材料，继续搅拌，脱泡静置，在碳纤维基上进行涂覆，厚度为200-2000μm，浸水相转化后成膜，得到PVDF/碳纤维基MFe₂O₄型光催化导电过滤膜；

所述的PVDF铸膜液是PVDF粉末分散在N-甲基吡咯烷酮或N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀；PVDF铸膜液的质量百分比浓度是指PVDF质量与总混合体系质量的比值。

所述的碳粉末是碳材料的纳米粒径粉末，如碳纤维粉、碳纳米管、石墨烯、活性炭粉等。

(3)将上述得到的PVDF/碳纤维基MFe₂O₄型光催化导电过滤膜用在MFC系统阴极，实现MFC、MBR及光催化作用相结合，高效快速的处理污水。

本发明的效果和益处是：

(1)在导电膜基础上制备出光催化导电膜，可进一步提高污水处理效率；