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共价有机框架(COFs)光催化-膜分离协同体系去除水中微污染物

文章出处:人气: 发表时间:2021-01-23 00:00

  水中新兴微污染物(如内分泌干扰物、抗生素、农药等)的浓度极低(ng/L-μg/L),但危害持久,传统水处理工艺难以有效去除。将光催化降解与膜分离技术集成为协同体系,可以发挥光催化对有机物的矿化降解功能,同时利用膜的选择性分离作用,截留光催化剂颗粒并实现对流体的连续处理。共价有机框架(COFs)是一类由轻质元素(C、N、O、B等)通过共价键连接而成的新型晶态多孔聚合物。与传统的无机半导体光催化剂(如TiO₂)相比,COFs具有可在分子层面精确调控的能带结构、高比表面积和优异的可见光吸收性能,成为光催化领域的前沿热点材料。然而,将COFs光催化剂稳定负载于膜表面,并用于连续流水处理的研究才刚刚起步。

  本研究通过界面聚合方法,在聚偏氟乙烯超滤膜表面原位生长了一层致密、均匀的β-酮烯胺基COF(TpPa-1)光催化层。SEM和XRD表征证实,COF层与PVDF膜结合牢固,结晶性良好。紫外-可见漫反射光谱表明,TpPa-1光催化层的吸收边带延伸至约600nm的可见光区。在静态实验中,可见光照射120分钟,COF膜对水中双酚A(BPA,初始浓度5mg/L)的去除率可达92%,远高于纯PVDF膜的物理吸附去除率(<15%),且主要降解产物为羟基化BPA和小分子酸。

  在动态错流过滤模式中,COF膜组件展现了优良的连续处理性能。在恒通量模式(50 L/(m²·h))和可见光照射下,BPA的连续去除率可稳定维持在85%以上,出水中未检测到COF片层的脱落。原位FTIR光谱实时监测了COF膜表面官能团的变化,观察到苯环和异丙基特征峰的衰减以及羟基和羧基峰的生成,为降解路径提供了光谱学证据。经过5个循环的“污染-光催化再生”实验,膜的水通量恢复率仍高达90%以上,表明其具有优良的自清洁抗污染能力。该研究为开发集分离、富集和光催化矿化功能于一体、且能在可见光下高效运行的新型水处理膜材料,提供了重要的理论依据和实验范例。

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