静电纺复合正渗透膜截留抗生素的特性和机理研究

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正渗透(Forward osmosis,FO)是利用膜两侧的渗透压差作为推动力的分离技术。由于传统的水处理工艺无法有效地去除废水中的抗生素,而FO技术不仅能有效分离抗生素而且无需额外压力,在解决水资源短缺和污染水体中抗生素去除方面显示出较大的潜力。虽然商业FO膜在截留抗生素方面已有一些研究,但其水通量较低。而通过静电纺丝制备的纳米纤维膜孔隙率高,可以有效提高水通量。本研究利用静电纺丝制备纳米纤维复合FO(NCFO)膜,分析了磺胺甲基噁唑(SMZ)、磺胺二甲嘧啶(SM2)、甲氧苄啶(TMP)、红霉素(EM)、四环素(TC)和氯霉素(CL)等六种带不同电荷的抗生素进行截留情况,研究了原料液pH、汲取液浓度和类别、抗生素浓度对膜性能和抗生素截留的影响。为进一步提高膜的性能,将金属有机骨架(MOFs)UiO-66纳米颗粒掺入支撑层制备了一种新型的薄膜纳米复合(TFN)膜,并研究UiO-66掺入对膜形态、膜表面亲水性、膜孔隙率和化学组成以及FO性能的影响,并初步分析了其对抗生素的截留机理。主要研究内容和结果如下:
  (1)探讨NCFO膜对六种不同电荷抗生素的截留作用。结果表明,水通量随汲取液浓度的增加而增加,在0.5M NaCl作为汲取液和中性条件下,NCFO膜的水通量达28LMH,对六种抗生素的截留率均高于98%。由于TMP受静电吸引和空间位阻的控制,截留率均为最低。随着pH值的增加,SMZ和SM2排斥率略有增加,其值在99%以上,这是因为在高pH值下静电排斥作用的增强。对于TC、CL和EM,空间位阻是其主要的排斥机制。通过建立模型来获得渗透系数和结构参数,成功地模拟了FO过程,当NaCl浓度从0.5M增加到1.5M时,模拟的水渗透通量从26.50LMH增加到66.96LMH,模拟结果与实验结果误差控制在4%之内。
  (2)制备了掺杂不同质量分数UiO-66的TFN膜,并分析了其处理模拟抗生素废水的性能。SEM、TEM、FTIR与XRD表征结果表明UiO-66已被成功合成,UiO-66掺入后纳米纤维基膜的纤维直径、厚度、孔径均减小,同时基膜的机械强度、粗糙度和亲水性得到了提高,从而改善膜的水通量等性能。TFN膜的水通量随着UiO-66含量的增加而增加。在添加0.5wt.%下即TFN-0.5膜以0.5M NaCl作为汲取液处理抗生素废水时,水通量达到最高(50LMH左右),与未掺杂UiO-66的FO膜相比提高了46%;同时发现TMP的截留率从98.3%增加到100%,这可能是由于裸露在纳米纤维丝表面的UiO-66纳米颗粒对抗生素的作用。
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