马宁-博士生论坛PPT

大连理工大学环境与生命学院博士生学术论坛环境化学与工程研究室DoctoralForumofEnvironmentalandBiologicalScienceandTechnology,DUT光催化/膜分离多功能纳米复合膜制备与环境应用报告人：马宁专业：环境工程导师：全燮教授3rd环境化学与工程研究室2007.11.20报告纲要光催化技术与膜分离技术典型问题1234Si掺杂TiO2/Al2O3纳米复合膜制备与表征纳米复合膜的光催化/膜分离多功能性光催化/膜分离纳米复合膜运行效果环境化学与工程研究室2007.11.20光催化技术与膜分离技术典型问题1PART1环境化学与工程研究室2007.11.20光催化技术典型问题TiO2光催化技术典型问题纳米粉末态难回收光催化效率低催化设备需优化NanoLett.,2007,7(5),1286Ange.Chem.Int.Ed.2005,44,5115NanoLett.,2007,7(6),1832环境化学与工程研究室2007.11.20膜分离技术典型问题0.11.0101001000nmApplicationfieldsParticlesgasseparationROUFMFionoratomMolecule,colloidparticles0.11.0101001000nmApplicationfieldsParticlesgasseparationROUFMFionoratomMolecule,colloidparticles装填面积小运行费用高膜污染难题污染物二次处理可能引起二次污染悬浮型光催化膜反应器固载型光催化膜反应器光催化和膜分离仍然是两个相互独立的操作过程在同一单元上可以同时实现两种操作存在典型问题热稳定性好化学稳定性好机械强度大孔径分布窄不易老化寿命长抗微生物侵蚀主要优点环境化学与工程研究室2007.11.20Si掺杂TiO2/Al2O3纳米复合膜制备与表征2PART2环境化学与工程研究室2007.11.20制备方法与步骤溶胶-凝胶法(Sol-gel)Ti(OC4H9)4CH3CH2OHCH3CH2OHH2OCH3COOHTitaniasolHydrolyzeAl2O3ceramicmembraneThinlayerTiO2/Al2O3compositemembraneTi(OC4H9)4NH(C2H4OH)2CH3CH2OHH2OPEGTitaniasolHydrolyzeZrO2ceramicmembraneThinlayerTiO2/ZrO2compositemembraneCH3CH2OHTi(OC4H9)4+Si(OC2H5)4CH3CH2OHH2OHClHydrolyzeCH3CH2OHSidopedtitaniasolCeramicmembraneThinlayerSidopedTiO2compositemembrane-Controlaging--Dip-coating--Thermaltreatment-环境化学与工程研究室2007.11.20CeramicmembraneparametersMaterialα-Al2O3Outerdiameter(mm)80Innerdiameter(mm)60Length(mm)250Area(m2m-1)0.1884Meanporesize(nm)200Porosity(%)43.0Tensilestrength(MPa)≥50Permeationflux(Lm-2h-1)(0.1MPa)198-210Temperatureadaptability(℃)≤800pHadaptability2-12Table1Originalceramicmembraneparameters.Step1:20mindipped;Step2:v=2mm/sdraught.制备方法与步骤浸渍提拉成膜(Dip-coating)v管式膜Sol:TBOT/TEOS/ethanol/water/HCl4:1:46:50:4环境化学与工程研究室2007.11.20ESEM形貌观察a)原始膜形貌x10,000;b)复合膜形貌x10,000;c)复合膜不对称结构x500;d)复合膜纳米表层截面x10,000.不对称膜结构示意图环境化学与工程研究室2007.11.20多次涂膜过程示意与形貌验证T=0,1,2,4,6,10T=0T=2T=4T=10T=6T=1TiO2纳米多孔光催化表层Al2O3活性过滤中间层Al2O3基体支撑层1234多次涂膜过程示意图环境化学与工程研究室2007.11.20复合分离膜材料表征DRS/EDX/XRD/FT-IR2003004005006007008000.00.20.40.60.8AbsWavelength,nmabc5001000150020002500300035004000020406080100Wavenumbers(cm-1)Transmittance,%3232.312327.481624.451066.02511.53460.50cb20304050607080(220)(116)(204)(215)(201)(105)(200)(004)Intensity,a.u.2Theta,deg.ac(101)a)Al2O3陶瓷膜基体b)TiO2/Al2O3复合分离膜c)Si掺杂TiO2/Al2O3复合分离膜ABC环境化学与工程研究室2007.11.20鲁棒机械性能；纳米多孔表层结构；热稳定与化学稳定；高效节能；污染少、投资小。特点：光催化/膜分离一体装置图环境化学与工程研究室2007.11.205x1031041.5x1042x1040102030405060708090100PEGmolecularweight,DaRetentionPercent,%T=2T=4T=6T=8T=100.000.020.040.060.080.10020406080100120140160Waterpermeateflux,Lm-2h-1T=10T=8T=6T=4T=2P,MPaT=0复合膜性能实验纯水通量与截留率Si掺杂TiO2/Al2O3复合膜纯水通量复合膜截留率与切割分子量(MWCO)环境化学与工程研究室2007.11.20TiO2纳米多孔光催化表层性质面积质量与表层厚度不同涂膜次数渗透系数变化光催化剂面积质量纳米多孔表层厚度ABC环境化学与工程研究室2007.11.20ParameterSubstrateT=0Repeated-coatingT=1T=2T=4T=10Materialsα-Al2O3α-Al2O3/SidopedanataseTiO2α-Al2O3/SidopedanataseTiO2α-Al2O3/SidopedanataseTiO2α-Al2O3/SidopedanataseTiO2TiO2massarea,[g/m2]03.866.7014.9238.94Bandgapenergy,[eV]5.423.233.233.233.23Layerthickness,[μm]10[mm]0.81.52.43.9Permeabilitycoeff.,Lp[Lm-2h-1MPa-1]~2125~1585~1068~523~312Molecularweightcut-off,[Da]0.2[μm]20k20k20k~20kFiltrationresistance,Rm[x1013m-1]1.782.253.346.8211.41Lp/Lp,substrate1.000.790.530.260.15Table2PropertiesofSidopedTiO2compositemembranes.复合膜主要特性表T=0,1,2,4,10环境化学与工程研究室2007.11.20纳米复合膜光催化/膜分离多功能性3PART3环境化学与工程研究室2007.11.20复合膜的光催化能力RRED-2B为目标污染物环境化学与工程研究室2007.11.20复合膜一次穿透实验与抗污染能力实验(a)Flow-throughwaterpurificationofReactiveRedED-2Bsolution;(b)AntifoulingpropertiesofSidopedTiO2compositemembranes.环境化学与工程研究室2007.11.20复合膜超亲水性分析Zhang,etal.Environ.Sci.Technol.2006,40,610460801001201402030405060708090100T=10T=8T=6T=4Waterpermeateflux,Lm-2h-1Time,minT=2UVirradationFu,etal.Environ.Sci.Technol.1996,30,647TiOR+HOSiTiOSi+ROH环境化学与工程研究室2007.11.20光催化/膜分离纳米复合膜运行效果4PART4环境化学与工程研究室2007.11.2002468101214161820222426020406080100pH=3.08pH=3.90pH=5.50pH=7.00pH=8.50pH=10.25pH=11.70PermeateConcentrationRetentionConcentrationConcentration,mgL-1Time,hpH=2.36染料RRED-2B处理实验截留浓度和渗透浓度环境化学与工程研究室2007.11.20Plotofthezeta-potentialasafunctionofpHfor20%-silica/titaniaandtitaniasuspension(0.1g/L)inthepresenceofKNO3(10-3mol/L).1+2TiOHTiOH+HK2+TiOHTiO+HKpHzpc=(pK1+pK2)/2(1)(2)(3)Zhang,etal.Environ.Sci.Technol.2006,40,6104pHzpc=3.6Si掺杂TiO2/Al2O3复合分离膜TiO2/Al2O3复合分离膜pHzpc=4.5pH范围溶液主要物种3.6TiOH2+3.6~7.5TiOH;TiOH2+7.5TiO-ABCpH依赖的复合膜光催化能力分析环境化学与工程研究室2007.11.2024681012100150200250300350400pHPermeabilitycoefficient,Lm-2h-1MPa-1RRED-2BsolutionUltra-cleaningwaterpH依赖的复合膜出水通量与渗透能力分析3.6+++++++dye-dye-dye-dye-dye-7.5pHadsorption-------dye-dye-dye-dye-dye--------dye-dye-dye-dye-dye-repulsionrepulsionTiOH2+TiOH;TiOH2+TiO-02468101214161820222426010203040pH=11.70pH=10.25pH=8.50pH=7.00pH=5.50pH=3.90pH=3.08pH=2.36J,Lm-2h-1Time,h环境化学与工程研究室2007.11.20功能膜自洁净模型以错流过滤典型膜运行系统为基础模型：C0溶液进水浓度CR传统膜浓差极化浓度CR’自洁净膜截留浓度CP处理出水浓度C0CRCPCRC0C0CR’CPCR’C0传统膜自洁净膜12000(1)ln(2)()()tRtCKtCCCCCRC与无光照时膜截留特性有关；0KCT与光催化剂本身、处理初始浓度以及反应停留时间有关。CR’C0环境化学与工程研究室2007.11.20报告小结Si掺杂TiO2/Al2O3纳米复合膜的功能性1纳米复合膜的潜在应用领域3光催化处理有机污染物废水膜分离截留有机污染物废水抗污染和自洁净能力增强膜处理通量水平Si元素掺杂的作用与功能2提高