[发明专利]一种催化膜及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种催化膜及其制备方法和应用，所述催化膜包括基膜，以及设置于所述基膜表面的杂化亲水改性层，所述杂化亲水改性层上固定有酶；所述杂化亲水改性层包括单宁酸和三氯化铁的混合涂层，以及接枝于所述混合涂层上的亲水活性物质。所述催化膜中，杂化亲水改性层和酶的引入使其具有酶‑化学反应协同自清洗的膜污染控制特性，能够满足催化膜在离线和在线等多种条件下的抗菌、抗污染和自清洗功能，针对多种有机污染物、胶体污染以及组合污染都有一定的抗污染效果，可使膜污染下降60％以上，不可逆污染下降30％以上；且其制备工艺简单，可重复利用，具有巨大的应用前景。

技术领域

本发明属于膜材料技术领域，具体涉及一种催化膜及其制备方法和应用。

背景技术

膜分离技术是一种绿色环保、高效便捷的分离技术，近年来被广泛应用于各种催化反应、功能转换以及水处理中。膜污染问题是膜分离技术应用中的主要瓶颈之一，严重的膜污染限制了膜分离过程的高效低能耗可持续运行。污染物在膜表面积累或进入膜孔中会形成滤饼层和膜孔堵塞，导致跨膜阻力上升，渗透通量下降，影响生产效率和产品质量，使清洗频率增加，最终降低膜的分离性能和使用寿命。

膜材料的疏水性是导致其污染问题的重要因素，为了提高催化膜的亲水性，增强其抗污染的能力，通常采用的亲水改性方法包括物理共混和化学接枝等。其中，在膜材料中引入无机粒子制得聚合物-无机粒子复合膜是一种重要的亲水改性方法。CN104984668A公开了一种热致相转化纳米掺杂聚偏氟乙烯催化膜及其制备方法，所述催化膜由PVDF、纳米催化剂、分散介质和有机添加剂混合后热致相转化法制备而成，其中纳米催化剂为改性纳米二氧化钛或二氧化钛纳米管等无机纳米材料。所述催化膜可以解决现有PVDF膜材料易于膜污染和难清洗的问题，但是纳米颗粒比重大、易团聚，在膜液脱泡过程中易发生聚沉现象，从而影响膜材料的性能。

目前，将膜分离技术与光催化作用进行耦合制备功能性膜材料是解决膜污染问题的一个有效途径。该过程通过膜的筛分作用将污染物截留，同时利用光催化过程产生羟基自由基和光生电子等活性物质将截留在膜表面的污染物进行矿化，从而缓解膜污染，并且提高膜材料对污染物的去除率。

CN108706677A公开了一种过氧化氢增强光催化膜分离性能的方法，所述光催化膜为具有光催化功能的分离膜，其中光催化功能层是光响应材料，包括二氧化钛、碳化硅、氧化钨或氮化碳。与传统光催化膜分离过程相比，该体系通过向光催化膜过程中投加H₂O₂，在光催化反应基础上，增加了UV/H₂O₂过程和光芬顿过程，在一定程度上缓解了膜污染，提高了光催化膜对污染物的分离效率。但是，所述光催化膜仍然存在不容忽视的污染问题，而且加入的H₂O₂不仅会增加体系的工作成本，也会氧化体系中的其他组分、改变体系的性质，使其应用范围仅限于污水处理中。

CN109925894A公开了一种光芬顿自清洗膜的制备方法及其应用，通过将聚偏氟乙烯膜浸泡于单宁酸水溶液和六水合三氯化铁溶液中，在聚偏氟乙烯膜上构建一层单宁酸-铁涂层，将光芬顿反应与膜分离技术进行耦合，提高了膜的抗污性能。但是，芬顿反应需要持续通入H₂O₂，不仅增加清洗成本，也会催化氧化料液中的其他溶质，影响料液组分性质，极大地限制了膜材料的应用范围。

因此，开发一种具有亲水性、抗污染和自清洗能力的催化膜，以满足催化膜高效低能耗地可持续运行，是本领域的研究重点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种催化膜及其制备方法和应用，通过杂化亲水改性层和酶的引入，显著提升了所述催化膜的亲水性、抗菌性和抗污染性，赋予其酶-化学反应协同自清洗的膜污染控制特性，能够满足催化膜在离线和在线等多种条件下的抗菌、抗污染和自清洗功能。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：