光催化膜与光催化膜反应器：现状和发展趋势

译者前言
随着社会经济的迅猛发展，能源和生态环境问题日益突出，绿色低碳的可持续发展已经成为经济社会发展的必然趋势。光催化技术基于可再生能源，利用太阳能发生氧化还原反应，为我们提供了一种理想的能源利用和环境污染治理方法。然而，反应选择性差、光催化剂回收成本高是限制光催化技术推广应用中面临的难题之一，将光催化技术与膜分离技术相结合是解决这类问题的有效途径，通过光催化和膜分离过程协同耦和形成的光催化膜以及光催化膜反应器孕育而生。目前，国内外科研人员已经开展了大量光催化过程和膜分离相结合的技术研究，并开展了光催化膜反应器在环境污染治理、光催化还原CO2制取能源物质、光催化有机合成等方面的探索性应用研究，光催化膜和光催化膜反应器成为多学科交叉领域的研究热点。
令人遗憾的是国内关于光催化膜和光催化膜反应器的专业书籍很少，为了促进国内光催化膜技术和光催化膜反应器的长足发展，填补参考书籍空白，我们翻译了Photocatalytic Membranes and Photocatalytic Membrane Reactors一书。
本书原著由Elsevier于2018年出版，对光催化和膜分离技术原理、光催化膜设计和制备、光催化反应器的设计及应用研究进展等多个方面进行了全面深入的介绍；重点讲解了光催化膜的设计和制备、光催化膜反应器的构型种类和性能、光催化膜反应器在水和废水处理方面、有机物合成等方面的应用研究成果；最后，介绍了适应不同类型的光催化膜反应器的反应动力学模型。通过光催化膜反应器存在的技术性问题、经济性评价等方面的分析，试图回答光催化膜反应器何时能够工业化这一问题。本书将光催化膜和光催化膜反应器基本原理和工程案例相结合，具有科学性和实用性，适用于从事光催化膜技术研发的人员参考使用。
全书共有11章，翻译工作由甘肃自然能源研究所完成。其中胡英瑛完成了第1章、第5章的翻译，安兴才完成了第2章的翻译，刘刚完成了第3章的翻译，陈作雁完成了第4章、第6章、第8章、第9章的翻译，张国艳完成了第7章的翻译，韩立娟完成了第10章的翻译，贾玲萍完成了第11章的翻译。兰州大学丁勇、孟祥宇校阅了全稿，并提出了宝贵的修改意见。安兴才审定最终稿件。限于译者的专业和翻译水平，书中难免存在不足，敬请读者批评指正。

译者    
2022年8月 



前言
自1972年Fujishima和Honda在TiO2电极上发现水的光催化分解以来，许多先进的氧化过程得到了广泛研究，例如使用光和半导体（光催化剂）来产生氧化/还原反应的过程（多相光催化过程）。随后研究者在环境修复有关的领域，如将有机和无机污染物完全降解为无害物质，去除有毒金属和合成有机化合物等方面，进行了大量研究。
光催化与传统催化的主要区别在于，光催化利用催化剂的光子活化取代了传统催化的热活化。所以，从长远来看，太阳光作为能量来源，可以进行各种各样的反应。
光催化是绿色化学的范畴，其重要特征如下：
① 操作条件温和（环境温度和压力，很少需要辅助添加剂，反应时间短）；
② 能够降低难降解、不可生物降解和剧毒分子的含量；
③ 使用的光催化剂（主要是TiO2）更安全，避免使用对环境和健康有害的重金属催化剂；
④ 避免使用强氧化剂/还原剂；
⑤ 能使污染物真正降解，形成无害副产物；
⑥ 适用于水相、固相和气相的各种底物；
⑦ 适用于低浓度溶液；
⑧ 可替代高能耗的常规处理方法；
⑨ 使用可再生太阳能；
⑩ 可与其他物理和化学技术（例如膜分离）结合使用。
光催化膜反应器（PMR）是将光催化与膜集成起来的一种有效途径。PMR可定义为存在于不同配置中的一种设备，它将光催化剂和膜结合起来产生化学变化。PMR拓展了传统光催化反应器（PR）和膜分离技术（分子水平分离）的应用潜力，使这两种技术产生协同作用，从而对环境和生态的影响降至最低。
近来，基于光催化膜（PM）或悬浮态光催化剂的光催化膜反应器特别受关注，其首次报道是在20世纪90年代。随后人们对该领域的兴趣不断增长，尤其是在最近四年中，PMR在环境保护（废水处理）、生活水平提高（无污染的水生产）和化学工业（有价值化合物的合成）方面具有大规模应用的前景。
为了提高混合光催化膜的性能，还需要进行更深入的研究。
本书由从事该领域前沿科学研究的一些科学家编写而成，全书对PM和PMR的最新技术进行了全面综述，包括光催化和膜分离的基础概述，PM和PMR的基本知识，PM和PMR的应用、建模和经济方面评价。另外，本书还强调了与PMR设计相关的主要问题，并试图回答以下问题：PMR在工业中的实际应用还有多远？
本书共11章。第1章介绍了多相光催化过程的基本原理，通过不同模型和方程来说明一些参数（pH、温度等）对光催化反应速率的影响。第2章介绍了膜（材料、形状与形态等）和膜工艺（微滤、超滤、纳滤、反渗透、正向渗透、气体分离和膜蒸馏）的实际进展，并讨论了膜应用中的主要问题。第3章介绍了PM在水净化、消毒、能量转换中的最新进展，还详细讨论了PM的各种制备方法（浸涂、旋涂等）。第4章概述了利用压力驱动膜分离技术（微滤、超滤和纳滤）的PMR，并详细讨论了缓解PMR中膜污染的可能措施，包括反冲洗、鼓风、间歇渗透、控制水力条件等，还考虑了影响渗透物质量的各种因素。此外，介绍了光催化反应器的各种结构，并进行了比较和详细讨论。第5章展示了非压力驱动膜工艺的PMR如何利用各种方法来全面改善整个过程，重点介绍了目前限制这些MR应用的原因，并对发展前景进行了展望。第6章介绍了在PMR中PM应用的最新进展，讨论了增强膜系统的性能的进一步研究的必要性，与传统光催化反应器相比具有的各种优点。第7章讨论了在水和废水处理中PMR对有机污染物（油、染料、酚、农药等）降解作用，分析证实PMR是一种很有前途的处理水中有机污染物的技术，但在PMR优化过程中，应考虑氧化副产物组分。第8章介绍了光催化部分氧化（苯合成苯酚，阿魏酸合成香草醛）和光催化还原（苯乙酮转化为苯乙醇，CO2合成燃料，亚硝酸盐合成为氨）的部分最新研究结果。由于光催化剂完全封闭在反应环境中，同时在反应中能够选择性分离产物，具有提高系统生产率和选择性的优点。第9章着重说明了PMR多个方面进行的广泛深入研究，但是在水处理领域却没有大规模应用的原因，强调仍需要进行研发工作才能实现PMR的商业化。新型PMR相对于传统技术的某些优势是PMR大规模应用的决定性依据。第10章特别关注PMR的建模，强调了PMR的模拟与反应动力学相结合，对于优化工艺设计和操作至关重要。为了更好地理解不同类型的反应器的运行方式和流态，首先注重其工艺配置，在此基础上，对不同操作条件下光催化膜系统中反应速率的动力学模型方程进行评价，综上所述，模型预测需要通过改变光源、辐射方法、工艺设计、操作模式等变量来进一步改进。最后第11章介绍了PMR的经济性。为了实际应用中的促进协同作用，探讨了各种膜分离技术（反渗透、纳滤、超滤和微滤）与光催化反应器系统集成的系统实例和成本。
最后，编者要特别感谢每位参编人员。同时感谢Elsevier，帮助我们以最好的方式完成了这项工作。

安杰洛·巴西莱   
西尔维亚·莫齐纳   
拉法埃莱·莫利纳里

安杰洛·巴西莱，意大利卡拉布里亚大学教授。研究主要涉及膜反应器，化学工程，氢气，蒸汽重整和催化。Int. J. Hydrogen Energy (IJHE) 和Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering （APJCE）副主编， Int. J. Membrane Science & Technology期刊主编。

西尔维亚·莫齐纳，西波美拉尼亚理工大学无机化工技术与环境工程系教授。从事化学工程，环境工程和光化学方面的研究，包括光催化膜反应器和其他系统耦合膜和先进的氧化技术。

拉法埃莱·莫利纳里，意大利卡拉布里亚大学化学工程与材料系，主要从事光催化、化学工程、膜反应器、无机化学和色谱方面的研究。

安兴才，甘肃自然能源研究所副所长，承担多项省市级科研项目，获2008年、2011年甘肃省科学技术进步奖二等奖，享受2019年度甘肃高层次专业技术人才津贴。

本书全面介绍了光催化膜及光催化膜反应器的研究进展。具体包括多相光催化基本原理，膜与膜分离过程基础，光催化膜材料与设计，利用压力驱动膜分离技术和非压力驱动膜分离技术的光催化膜反应器，以及 PM反应器的性能，光催化膜反应器在水和有机污染物废水、光催化合成有机物中的应用，并介绍了光催化膜反应器的数学建模和经济性。
本书将光催化膜和光催化膜反应器基本原理和工程案例相结合，具有科学性和实用性，可供从事光催化研究的科研人员参考，也可供高等院校环境科学与工程、材料科学及相关专业师生参考使用。

第1章 多相光催化：一种有前景的高级氧化技术	001
1.1 简介	002
1.2 TiO2光催化的基本原理	003
1.2.1 导体、绝缘体和半导体	003
1.2.2 半导体材料的性能	004
1.2.3 光催化过程	008
1.3 改性TiO2的可见光活性	010
1.4 光催化合成与光催化降解	012
1.5 操作参数	012
1.5.1 pH值	012
1.5.2 氧含量	013
1.5.3 温度	013
1.6 光催化反应器模拟	014
1.6.1 光催化反应动力学	017
1.6.2 光催化与其他高级氧化技术的集成	021
1.6.3 TiO2/H2O2光催化	022
1.6.4 TiO2/S2O82?光催化	023
1.6.5 TiO2/O3光催化	023
1.7 结论和未来趋势	024
参考文献	025

第2章 膜与膜分离过程基础	033
2.1 简介	034
2.2 膜分离技术开发历程	035
2.3 膜的分类	036
2.3.1 膜材料	036
2.3.2 膜的几何参数	038
2.3.3 膜形态	039
2.4 聚合物膜的制备	040
2.5 膜操作	043
2.5.1 压力驱动膜分离操作实例	043
2.5.2 浓度驱动膜分离操作实例	044
2.5.3 蒸汽分压驱动膜分离操作实例	045
2.6 膜污染问题	046
2.7 结论和未来趋势	047
参考文献	047

第3章 光催化膜材料与设计	053
3.1 简介	054
3.2 光催化膜的设计	055
3.2.1 光催化膜基材	055
3.2.2 光催化膜的制备	056
3.2.3 与膜集成的光催化剂类型	061
3.3 结论和未来趋势	067
参考文献	068
扩展阅读	072

第4章 利用压力驱动膜分离技术的PMR	073
4.1 简介	074
4.2 光催化膜反应器中的膜污染	075
4.3 光催化膜反应器中膜的稳定性	078
4.4 影响光催化膜反应器渗透液质量的操作参数	081
4.5 光催化膜反应器结构和设计实例	084
4.6 结论和未来趋势	090
参考文献	091

第5章 利用非压力驱动膜分离技术的PMR	095
5.1 简介	096
5.2 光催化与渗透蒸发集成	098
5.2.1 渗透蒸发原理	098
5.2.2 渗透蒸发运行	100
5.2.3 渗透蒸发光催化反应器的应用	107
5.3 光催化与透析集成	113
5.3.1 透析原理	113
5.3.2 透析光催化反应器的应用	113
5.4 光催化与膜接触器集成	115
5.4.1 膜接触器原理	115
5.4.2 光催化反应器与膜接触器的集成应用	116
5.5 光催化与膜蒸馏集成	117
5.5.1 膜蒸馏原理	117
5.5.2 光催化反应器与膜蒸馏集成的应用	118
5.6 结论和未来趋势	119
参考文献	121

第6章 PM反应器的性能	127
6.1 简介	128
6.2 PM反应器的结构和设计	129
6.3 PM反应器中的膜污染	131
6.3.1 污染类型	132
6.3.2 膜污染控制方法	133
6.4 PM反应器应用概述	134
6.4.1 水处理	134
6.4.2 制氢	134
6.4.3 CO2还原	135
6.5 结论和未来趋势	135
参考文献	136
扩展阅读	138

第7章 PMR在水和有机污染物废水处理中的应用	139
7.1 简介	140
7.2 光催化降解有机污染物的光催化膜反应器	141
7.2.1 油和油脂	141
7.2.2 酚类	143
7.2.3 染料	145
7.2.4 其他污染物	149
7.3 结论和未来趋势	151
参考文献	151

第8章 PMR在光催化合成有机物中的应用	155
8.1 简介	156
8.2 影响光催化膜反应器产品性能的因素	157
8.2.1 光催化剂浓度	157
8.2.2 底物浓度	157
8.2.3 pH值	158
8.2.4 光波长和光强度	158
8.2.5 其他物质	159
8.2.6 膜特性	159
8.3 光催化膜反应器中有机物的部分氧化	159
8.3.1 苯羟基化制取苯酚	159
8.3.2 芳香醇转化为醛和阿魏酸转化为香草醛	161
8.4 光催化膜反应器中的还原反应	163
8.4.1 酮的光催化氢化	163
8.4.2 光催化还原二氧化碳制甲醇	165
8.4.3 光催化还原亚硝酸盐制氨	167
8.5 结论和未来趋势	167
参考文献	167

第9章 PMR大规模应用离我们还有多远？	171
9.1 光催化膜反应器发展方向	172
9.2 光催化膜反应器技术问题	175
9.2.1 技术问题的类别和相互关系	175
9.2.2 技术问题评估	176
9.2.3 运行问题评估	189
9.2.4 性能指标	191
9.3 经济问题	195
9.3.1 设备投资费用	195
9.3.2 运行费用	195
9.4 可持续性评估	196
9.5 结论和未来趋势	199
9.5.1 总体评价	199
9.5.2 研发的重点	201
附录	203
参考文献	204

第10章 光催化膜反应器的数学建模	213
10.1 简介	214
10.2 反应器构型	214
10.2.1 光催化膜反应器	214
10.2.2 侧流式光催化膜反应器	215
10.2.3 浸没式光催化膜反应器	215
10.2.4 光催化-膜蒸馏反应器	216
10.3 反应动力学模型	217
10.3.1 一级和零级反应动力学	217
10.3.2 非整数幂反应动力学	218
10.3.3 两步反应动力学	220
10.3.4 背景物质的影响	221
10.4 连续流动反应器模型	222
10.4.1 连续搅拌槽式反应器一级动力学模型	222
10.4.2 连续搅拌槽式反应器零级动力学模型	223
10.4.3 复杂连续流动反应器的数值方法	224
参考文献	225

第11章 光催化膜反应器的经济性	229
11.1 简介	230
11.2 光催化膜反应器系统的成本估算	234
11.2.1 光催化部分成本估算	234
11.2.2 膜分离部分成本估算	244
11.3 结论和未来趋势	247
参考文献	248