可见光响应的光催化膜，可实现催化剂的回收利用，从而实现自清洁功能的膜分离油水混合物

油水乳液的膜分离因严重污染和长期性能不稳定而面临挑战。本研究通过将回收自SCR催化剂的TiO?-WO?光催化剂固定于PVA/PAN纳米纤维膜中，构建了可见光响应的复合膜。该膜具有分级孔结构、空气超亲水和 underwater超疏油性，油分离通量达1940 L·m?2·h?1，油 rejection＞99.2%，且在可见光下表现出优异的抗污染性和循环稳定性（ flux recovery 98%）。Ti-WO?复合催化剂通过 narrowing TiO? bandgap（至2.1 eV）和促进 interfacial charge separation，增强了光生活性物种生成，不仅实现高效油分离，还可降解有机污染物。本研究提出将工业废料转化为功能材料的新策略，为可持续废水处理提供理论框架。

　　

陈钊 | 金鹏瑞 | 杜佳乐 | 杨钊 | 王月 | 刘金龙 | 王晨晔 | 尤青青 | 肖鑫 | 金健 | 黄亮 | 元树山 | 巴特·范德布鲁根

鲁汶大学化学工程系，Celestijnenlaan 200F，B-3001 鲁汶，比利时

摘要

由于严重的污染和长期性能不稳定，油水乳液的分离仍然是一个挑战。本文通过将回收的TiO₂-WO₃光催化剂（从废弃的选择性催化还原（SCR）催化剂中提取）固定在聚丙烯腈（PAN）纳米纤维基底上，并使用聚（乙烯醇）（PVA）中间层，制备了一种对可见光响应的光催化膜。所得的TiO₂-WO₃/PVA/PAN膜具有分层多孔结构，在空气中表现出超亲水性，在水下表现出超疏油性，能够高效分离油水乳液，其渗透通量在0.3巴压力下可达1940 L·m^-2·h^-1，油去除率超过99.2%。该膜具有很强的抗油污染能力，并且操作稳定性优异，在可见光照射下经过多次过滤-清洗循环后，通量恢复率约为98%。长期运行过程中未观察到明显的光催化剂脱落和金属浸出现象，表明界面粘附性和结构完整性良好。除了物理分离外，集成的光催化剂还能在可见光下降解常见的有机污染物，提供额外的净化途径。机理研究表明，掺入W元素可以缩小TiO₂的带隙并促进界面电荷分离，从而生成有助于减轻污染和有机物质降解的反应物种。本研究展示了一种膜工程策略，将高通量油水分离与可见光驱动的自清洁功能结合在一起，使用回收的光催化剂，为先进的含油废水处理提供了一种可持续且结构稳健的方法。

引言

来自石化、食品加工和运输行业的大量含油废水的排放是一个全球性的环境问题[1]。这些废水不仅含有油，还含有可溶性染料、细菌、天然有机物和抗生素等有毒、持久且难以降解的物质，对生态系统和人类健康构成严重威胁[2]。虽然传统的处理技术（如化学混凝、吸附、高级氧化工艺和生物降解）已被广泛用于含油废水处理[1]，但它们的大规模应用仍受到化学需求、操作复杂性和稳定性问题的限制。因此，基于膜的分离技术因其高效的分离效果、相对较低的能耗和操作简便性而受到广泛关注[2],[3]。然而，尽管膜材料和表面工程取得了显著进展，但油吸附引起的污染[4]、孔隙堵塞和有机污染物积累仍然是限制长期运行的主要瓶颈[5]。因此，在保持高渗透性能的同时提高抗污染能力是含油废水处理的关键挑战。

为了解决这一问题，人们探索了将光催化剂整合到膜结构中的方法，以实现光照下的表面再生和自清洁行为[6],[7]。基于二氧化钛（TiO₂）的光催化剂因其化学稳定性和氧化能力而成为研究最广泛的材料之一。例如，Lu等人（2022年）通过水热沉积在PAN纳米纤维上制备了原位 TiO₂层，在重力驱动条件下实现了1829.37 L·m^-2·h^-1的油水乳液通量。然而，其宽的带隙（约3.2 eV）和快速的电荷复合限制了其在可见光下的效率。尽管通过掺杂贵金属和构建异质结等方式提高了TiO₂基光催化膜的催化活性[9]，但这些方法显著增加了制备的复杂性和成本。

同时，人们也越来越关注水处理技术中使用的材料的可持续性。光催化剂的来源、长期稳定性及其引入二次污染的潜力现在被认为是水处理评估的重要组成部分[10]。废弃的选择性催化还原（SCR）催化剂是一种危险的工业固体废物，其中含有大量的TiO₂和WO₃[11]。最近的研究表明，可以将废弃的SCR催化剂转化为光催化剂[12],[13]，为废物利用提供了潜在途径。然而，将其整合到膜系统中仍需进一步探索。将这种回收的光催化剂整合到膜中，为废物利用与水净化之间的循环提供了有前景的途径。

在我们之前的工作中，我们开发了一种硫酸浸出-水解-煅烧工艺，有效提取并重构了废弃SCR催化剂中的Ti和W[14],[15]。通过优化水解参数，所得的TiO₂-WO₃催化剂具有较高的表面积和纯度，具有很高的光催化降解潜力。

基于之前的研究，我们通过真空过滤和化学交联制备了TiO₂-WO₃/PVA/PAN光催化膜，如图1所示。通过将从废弃SCR催化剂中回收的TiO₂-WO₃光催化剂整合到PAN纳米纤维膜中，本研究旨在探索一种将废物转化为价值的策略，用于构建对可见光响应的、抗污染的油水分离膜。所提出的膜系统旨在结合选择性的油水分离、光诱导的自清洁以及共存有机污染物的去除，从而解决复杂含油废水处理中常见的膜污染和二次污染问题。更广泛地说，本研究旨在为将废物衍生的可见光光催化剂与膜技术结合，以实现可持续和抗污染的水处理应用提供概念框架。

材料

材料

本研究中使用的所有化学品和材料均为分析级，除非另有说明，否则按原样使用。更多细节见支持信息（第1.1节）。

TiO₂-WO₃光催化剂的合成

TiO₂-WO₃光催化剂是根据我们之前报道的回收工艺[14],[15],[16]从废弃的SCR催化剂中获得的。回收过程包括硫酸浸出、水解和煅烧，得到了Ti和W元素分布均匀的复合材料。

微观结构和组成

复合膜的微观结构和化学组成对其分离效率、光催化性能和稳定性至关重要，因此首先对其进行了研究。本研究中使用的TiO₂-WO₃光催化剂是从废弃的SCR催化剂中回收的，具体细节见我们的前期工作。其形态、晶体结构和化学组成在支持信息（图S1–S3，表S1）中提供。

结论

总之，我们成功制备了一种高性能的TiO₂-WO₃/PVA/PAN光催化膜，该方法将来自废弃的选择性催化还原（SCR）催化剂中的可见光响应TiO₂-WO₃光催化剂整合到了PAN纳米纤维基质中。所得膜在空气中表现出超亲水性，在水下表现出超疏油性，能够高效分离各种油水乳液，通量（>1940 ± 70 L·m^-2·h^-1）和去除率（>99%）均很高。

CRediT作者贡献声明

尤青青：撰写——初稿，可视化，方法论。王晨晔：方法论，研究，数据分析。刘金龙：方法论，研究，数据分析。王月：撰写——审阅与编辑。杨钊：可视化，概念构思。杜佳乐：撰写——初稿，可视化，方法论。巴特·范德布鲁根：撰写——审阅与编辑，监督，资源管理，项目协调，资金获取。金鹏瑞：撰写——审阅与编辑，

未引用参考文献

[8]。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52370137）的支持。陈钊感谢教育部中国留学基金委（CSC编号202309210042）的支持。作者感谢华中科技大学的Zhang Genyuan、Tan Hao、Dai Ziwen和Wang Jing在AFM测量、FT-IR表征和SEM成像方面的协助。