电场辅助银团簇改性超滤膜抗污染机制研究

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膜分离技术可以有效解决全球范围内的缺水问题。但是随着膜分离技术的发展,膜污染情况一直是制约其工艺效率的瓶颈。本研究的目的是通过膜材料的改性、外加应用电场来实现超滤膜污染的缓解,提高膜的运行效率。
  首先采用纳米金属银对导电超滤膜材料进行改性,利用银的杀菌作用,提高有机膜抗生物污染的能力;其次,在错流运行模式下,对导电膜施加正电场或负电场,利用同电荷相斥作用,或者氧化还原作用,提高膜的抗污染能力。
  实验过程中,首先通过不同方法分别制备了电辅助银团簇表面接枝改性超滤膜(Ag-Car-PES)和电辅助银团簇共混改性超滤膜(Ag-SS-PES)。然后,选择了几种常见的电负性化合物模拟不同类型的污染物,如牛血清蛋白(BSA)和海藻酸钠(SA)模拟非迁移性污染物,酵母和大肠杆菌(E.coli)模拟增殖性污染物,乳化油模拟铺展性污染物,考察了膜在不同条件下的防污效果和对污染物的去除效率。最后探讨了电化学与银团簇在过滤过程中的作用原理。主要研究结果如下:
  (1)通过对Ag-Car-PES膜的表征发现,纳米金属银成功附着到PES膜表面,膜表面具有良好的亲水性。
  (2)含有银团簇的Ag-Car-PES膜与Ag-SS-PES膜对增殖性污染物,如酵母和大肠杆菌都有非常好的灭活作用。再通过错流冲刷,使膜通量大幅提高。
  (3)在Ag-Car-PES膜与Ag-SS-PES膜错流操作过程中,外加电场对BSA,SA,酵母,乳化油,E.coli的污染均有一定的抑制作用,同时,还能有效提高膜对污染物的去除效率。
  (4)Ag-Car-PES膜与Ag-SS-PES膜对五种污染物的水通量和去除效率各有不同。Ag-Car-PES膜为表面接枝膜,银团簇均匀分布在膜表面,短时间内抗污染效果显著,但是随着时间的推移,膜表面银团簇有一定量的流失,从而影响其抗污染能力。而Ag-Car-PES膜为共混膜,在膜表面和膜内部都分布着银团簇,在过滤污染物时,同时从膜表面和膜孔内部发挥其抗污染作用。
  (5)当污染物粒径较小时,例如BSA,SA,Ag-Car-PES膜由于其膜孔内没有银团簇附着从而抗污染能力略弱于Ag-SS-PES。而当污染物颗粒较大不容易通过膜孔时,例如酵母,E.coli,Ag-Car-PES膜由于其银团簇全部分布在膜表面从而有较强的抗污染能力。
  Ag-Car-PES膜与Ag-SS-PES膜的有效抗污染作用,可归因于负电场的排斥作用,正电场的氧化分解作用和银团簇杀菌灭活作用。这使污染物远离膜表面,减轻膜孔堵塞,从而阻碍滤饼层的形成,缓解膜污染,提高去除效率。本研究结果为电化学控制与银团簇协同作用减轻膜污染提供了一种有前途的方法。
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