论文部分内容阅读
膜法水处理技术以其优越的性能,被应用于水处理各领域,是我国水质高效处理的主导技术。然而,膜污染阻碍了膜法水处理技术的进一步发展。膜光催化改性将膜材料与光催化剂结合,通过光催化降解实现膜污染的有效控制。本课题利用原子层沉积(ALD)实现膜光催化改性,通过沉积过程精确可控、沉积物质均匀稳定的特点获得光催化效能优越、抗污染性能显著的改性膜。本课题以PVDF微滤膜和ZnO分别作为改性基质和光催化剂,通过参数调控实现膜光催化改性过程的优化控制;表征ZnO-ALD光催化改性膜性能特征,明确ZnO-ALD光催化改性关键的技术优势;分析ZnO-ALD光催化改性微滤膜对污染物静态吸附和动态截留的影响,明确改性膜延缓膜污染机制。考察碱溶液预处理时间、沉积腔体温度、沉积循环次数及脉冲等待时间等ZnOALD改性过程关键参数对膜材料的沉积层质量及结合稳定性、亲疏水性能、水通量、抗污染吸附能力和光催化效能的影响,优化ALD光催化膜改性过程。研究发现碱溶液预处理120 min、ALD沉积腔体温度100℃、ALD沉积循环250次、ALD脉冲等待5 s为最优Zn O-ALD光催化改性条件,以此为基础对光催化改性膜的功能特性进行综合测试,以明确关键技术优势。结果表明,PVDF微滤膜经过改性后表面形成超薄纤锌矿型的ZnO晶体,其中Zn元素均为二价锌离子,O元素主要由纤锌矿晶格中O2-组成;改性后孔隙率下降5.3%,但膜截留能力提高、表面粗糙程度下降;经ZnO-ALD光催化改性后微滤膜稳定性能得到显著提升,其中抗拉伸强度、断裂伸长率、热分解温度大幅度提高,膜通量衰减程度明显降低。ZnO-ALD光催化改性微滤膜对太阳模拟光源氙灯具有良好的光响应特性,表现出优越的光催化降解效能。在紫外条件下研究改性膜对不同浓度MB溶液的光催化降解效能,发现辐照100 min后的降解率均大于90%。在紫外灯、白炽灯和氙灯三种光源条件下研究改性微滤膜对5 mg/L浓度MB溶液的光催化降解效能,发现辐照60 min后的降解率分别为82.5%、19.0%和97.3%。探究ZnO-ALD光催化改性微滤膜对污染物静态吸附特性和膜面泥饼层组分特性的影响,明确改性膜抗污染控制机制。结果表明:ZnO-ALD光催化改性降低了微滤膜对EPS多糖、蛋白质等关键污染物的吸附能力,并通过改善微滤膜污染前后过滤阻力降低膜污染后通量衰减状况;同时ZnO-ALD沉积层减少了膜面泥饼层积累量,减缓了SMP和EPS的吸附截留能力,降低了大分子有机物在泥饼层中的积累。其中ZnO-ALD沉积层的亲水性可有效减少疏水性有机大分子污染物在泥饼层中的吸附和截留,光催化性则将膜面吸附截留的有机污染物氧化分解成小分子物质,甚至矿化成无机成分。