[发明专利]碳纤维催化臭氧氧化复合分离膜及其制备方法和应用

说明书

一种碳纤维催化臭氧氧化复合分离膜及其制备方法和应用，该复合分离膜由碳纤维复合材料彼此交错构成，碳纤维复合材料为碳纤维上负载氧化钛和/或氧化硅，碳纤维与氧化钛和/或氧化硅的质量比为1∶0.04～0.49；碳纤维复合材料的直径为200～1000nm，分离膜的厚度为200～700μm，膜孔径范围为20～150nm。其制备方法是利用电纺丝法首先制备含氧化钛和/或氧化硅前驱体的聚丙烯腈基纤维复合分离膜，然后经过预氧化和惰性气体保护下高温碳化处理。该复合分离膜具有较高的催化臭氧氧化性能和优良的膜渗透性能，并实现了对污水和再生水同时进行催化臭氧氧化分解与膜截留过滤分离污染物的一体化深度净化功能。

技术领域

本发明涉及一种分离膜及其制备方法和应用，具体涉及以碳纤维及其复合材料为载体、具备催化臭氧氧化功能的水处理用分离膜及其制备方法和应用，属于膜技术领域。

背景技术

城市污水成分十分复杂，常规的生物处理法处理时间长、设备占用面积大，对部分有机污染物难以处理，现有从城市污水厂达标排放的处理退水或再生水厂中生产的再生水中含有一定量的难降解有机污染物，包括多环芳烃类、杂环类、有机氰化合物、多氯联苯、农药、染料、环境激素以及个人护理品等，对人类和环境有很大危害。通过新型污染控制技术彻底破坏难降解的有机污染物和灭活容易再次致活的病原微生物，达到低毒无害排放，一直是污水再生回用领域被不断研究的重要问题。

膜分离技术因占地面积小、工艺设计灵活、自动化程度高等特点已成为当前国际上最重要的水处理技术之一。其中，纳滤膜分离技术由于可高效快速分离水中绝大部分小分子污染物，已成为水质深度净化研究的热点。由于纳滤膜较小的孔径范围(1～5nm)和半透膜特性，使得其可以截留水体中的大部分污染物质，从而应用于各种行业的水软化与净化、物质分离和浓缩、脱色和除味等。然而在实际应用过程中，纳滤仍存在如下关键技术问题：(1)纳滤膜易污染且清洗困难；(2)膜通量仍有待于进一步提高；(3)对部分小分子污染物去除作用有限；(4)浓水需进一步处理。

催化臭氧氧化技术是基于臭氧的高级氧化技术，它将臭氧的强氧化性和催化剂的吸附、催化特性结合起来，能较为有效地解决有机物降解不完全的问题。臭氧高级氧化催化剂按催化剂的相态分为均相催化臭氧化和多相催化臭氧化，在均相催化臭氧化技术中，催化剂分布均匀且催化活性高，但缺点明显，催化剂易流失、不易回收并产生二次污染，运行费用较高，增加了水处理成本；多相催化臭氧化法利用固体催化剂在常压下加速液相氧化反应，催化剂以固态存在，易于与水分离，二次污染少，但催化剂使用效率相对较低。

基于膜技术和催化臭氧氧化技术的优缺点，专利号为ZL201310603496.7的专利技术“多相催化臭氧氧化-纳滤组合装置及其净水消毒的方法”采用多相催化臭氧氧化过程与纳滤膜分离过程串联耦合，实现了降解与分离污染物的深度净化功能，具有提高溶解氧含量、提高后续膜产水率和减轻膜污染等作用。但是，这种工艺组合净化方法在实际应用中仍然存在以下不足：①工艺产水效率低；②纳滤膜易受到臭氧分子的破坏。

发明内容

本发明的目的，是提供一种自支撑的碳纤维催化臭氧氧化复合分离膜及其制备方法和应用，该复合分离膜具有较高的催化臭氧氧化性能和优良的膜渗透性能，并实现了对污水和再生水同时进行催化臭氧氧化分解与膜截留过滤分离污染物的一体化深度净化功能。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种碳纤维催化臭氧氧化复合分离膜，其是由碳纤维复合材料彼此交错构成分离膜，该碳纤维复合材料为碳纤维上负载氧化钛和/或氧化硅，碳纤维与氧化钛和/或氧化硅的质量比为1∶0.04～0.49；碳纤维复合材料的直径为200～1000nm，分离膜的厚度为200～700μm，膜孔径范围为20～150nm。

如上所述的碳纤维催化臭氧氧化复合分离膜，优选地，所述碳纤维是由聚丙烯腈纤维烧结而成。

如上所述的碳纤维催化臭氧氧化复合分离膜，优选地，所述碳纤维复合材料是由含有氧化钛和/或氧化硅前驱体的聚丙烯腈纤维烧结而成。