有机大分子对聚酰胺复合纳滤膜偏硅酸钠污染的影响

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纳滤膜是一种新型分离膜,性能介于反渗透膜(RO)和超滤膜(UF)之间。其具有操作压力低,运行成本低且对多价离子及相对分子量在200 Da以上的有机物有较高的去除率等优点,因此,被广泛应用于水处理领域中。然而,纳滤膜污染问题却严重阻碍了其在水处理技术中的广泛应用。就污染类型而言,纳滤膜污染通常可分为生物污染、胶体/颗粒状污染、无机污染和有机污染。有实验研究表明,当水体中同时存在多种污染物时,相比单一污染物造成的膜污染程度而言,有机-无机共存污染程度更显著,通常两种污染物会相互影响。在以压力为驱动力的膜分离过程中,有机污染物与无机污染物共存时,二者会形成密实的网状结构,从而加剧膜面污染程度。此外,有研究发现在实际的运行过程中,有机污染往往先于无机污染发生,虽然周期性的膜清洗可以恢复一定的通量,但是膜面有机物随时间的积累是无法避免的。吸附在膜面的有机污染层会改变膜表面原有特性,从而影响后期膜污染过程。因此,探索研究有机污染层生成后膜面的无机结垢污染过程对解释说明膜污染机理及控制膜污染至关重要。本文的目的是探索研究三种大分子有机物对聚酰胺复合纳滤膜偏硅酸钠污染行为的影响。论文整体分为两大部分:第一部分是采用界面聚合法制备聚酰胺复合纳滤膜,并使用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、傅里叶变换衰减全反射红外光谱仪(ATR-FTIR)、X-射线光电子能谱仪(XPS)等仪器对所制备的复合膜性能进行测定表征。第二部分是选用牛血清蛋白(BSA),海藻酸钠(SA),腐殖酸(HA),偏硅酸钠模拟水体中的有机及无机污染物进行膜污染实验,并使用SEM、AFM以及耗散型石英晶体微量天平(QCM-D)等仪器探索复合纳滤膜污染机理。主要研究结果如下:(1)以聚砜(PSF)为主要膜材料,溶液相转化法制备聚砜超滤基膜,以无水哌嗪(PIP)为水相单体,均苯三甲酰氯(TMC)为有机相单体,界面聚合制备聚酰胺复合纳滤膜。对所制备的复合纳滤膜性能测定结果表明,在20±1℃、0.6MPa、错流速度为4.5 cm/s的条件下,所制备的复合纳滤膜对四种无机盐的截留顺序依次为:Na2SO4>MgSO4>MgCl2>NaCl,对2000 mg/L的MgSO4的截留率和通量分别为92.6%和29 L/(m2·h)。复合纳滤膜的接触角为53°;平均粗糙度Ra为7.73 nm;截留分子量为378 Da。(2)选用BSA、SA、HA、偏硅酸钠分别模拟水体中有机及无机污染物,进行膜污染实验,并对污染膜进行反冲洗实验。实验结果表明,实验条件下三种有机污染物对膜通量的影响程度基本一致;BSA污染膜(BSA膜)与新膜(Virgin膜)的偏硅酸钠结垢过程中的膜通量衰减趋势相似,SA污染膜(SA膜)和HA污染膜(HA膜)偏硅酸钠结垢过程中的膜通量衰减趋势接近,并且SA膜和HA膜结垢污染程度较BSA膜与Virgin膜轻;反冲洗后SA膜和HA膜通量恢复率较高,BSA膜与Virgin膜通量恢复率低。(3)使用SEM及AFM测定无机污染后膜表面的污染层结构。研究结果表明,Virgin膜及BSA膜无机污染后形成的污染层结垢物大且密实,污染膜表面粗糙度小;SA膜和HA膜无机污染后形成的污染层结垢物小且松散,污染膜表面粗糙度较大。结果表明:膜面污染层结构越疏松,膜表面粗糙度越大;反之,膜面污染层结构越致密,膜表面粗糙度越小。(4)使用QCM-D结合二氧化硅(SiO2)芯片模拟测定三种有机污染物与偏硅酸钠之间的吸附作用。测定结果表明,BSA在SiO2芯片表面的吸附量最大,而SA和HA在SiO2芯片表面的吸附量较小,即三种有机污染物中BSA与偏硅酸钠之间相互作用力最强。(5)使用AFM结合SiO2胶体探针测定膜-偏硅酸钠以及偏硅酸钠-偏硅酸钠之间黏附力。测定结果表明,SA膜和HA膜与偏硅酸钠之间黏附力较小,而Virgin膜及BSA膜与偏硅酸钠之间黏附力较大,故SA膜和HA膜偏硅酸钠结垢程度较轻;此外,SA膜和HA膜偏硅酸钠污染物分子之间的粘附力较小,污染层较松散,反冲洗后膜通量恢复率高。
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