石墨相氮化碳光催化分离膜在水净化中的应用研究

作     者：李柳新 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：颜录科;晁敏

授予年度：2023年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：石墨相氮化碳 形貌调控 分离膜 油水分离 光催化 抗菌 水净化 

摘      要：实际废水中复杂的污染物成分对水净化提出了新的挑战,将光催化材料与膜分离技术结合可有效消除膜污染,增加分离膜的使用寿命,解决粉末光催化剂难回收问题。基于上述背景,本论文首先通过形貌调控对块体石墨相氮化碳(g-CN)进行改性,制备得到海藻状g-CN,随后通过真空自组装构筑高性能g-CN基光催化分离膜,实现对复杂废水的有效净化。本论文的主要研究内容包括:(1)针对块体g-CN光响应范围窄、比表面积小、电子-空穴(e-h)易复合问题,通过形貌调控策略合成了多孔海藻状g-CN光催化剂。这种特殊的形貌增大了比表面积,拓宽了可见光吸收范围,降低了带隙,促进了电子和空穴的分离,显著提升了g-CN的光催化活性。而后通过单一组分海藻状g-CN的真空自组装构筑光催化分离膜(SCN-X),用于多功能水净化。独特的多孔海藻状结构增加了膜的比表面积和亲水性,有利于对可见光的吸收和利用,提高了e-h的分离效率,赋予了SCN-2膜优异的综合水净化性能,可高效分离5种水包油乳液,最大通量为3114.0±113.0 L m h bar,最高效率为97.4±0.1%。同时,SCN-2膜具有优异的光催化性能,对有机染料罗丹明B(Rh B)、亚甲基蓝(MB)和结晶紫(CV)的降解效率高达100.00%,对两种细菌的抗菌效率也接近100.00%。此外,SCN-2膜具有长期水净化潜力,在连续油水分离和染料降解实验中表现出色。这项工作为使用单一材料实现多功能光催化分离膜的简便构建提供了可能性。(2)为了进一步提升SCN-X膜的分离通量,将海藻状g-CN(SCN-X)与g-CN纳米微球(CN)复合构建g-CN复合光催化分离膜(CCNX)。CN的加入优化了膜的孔隙结构和传输通道,大大增加了复合膜的油水分离通量和循环分离次数:CCN2膜对5种水包油乳液的分离通量都得到大幅提升,最大通量为5738.6±229.7 L m h bar。同时,CCN2膜在连续60次分离循环后仍保持优异的分离能力,通量超过1327.0 L mh bar,效率超过95.5%。此外,两种材料的复合并没有降低分离膜卓越的光催化性能,CCN2复合膜仍具有出色的光催化能力,对Rh B和MB降解效率超过98.13%,对两种细菌的抗菌效率也超过93.37%。这项工作为推动多功能g-CN基膜实现复杂废水净化提供了新思路。