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溶解性有机物对超滤膜污染的微观作用力测试与机制解析

苗瑞  
【摘要】:运行过程中,超滤膜污染问题是影响其高效低耗运行的关键因素,亦是限制超滤膜在水处理领域进一步推广应用的主要屏障。探明超滤膜污染的本质原因,仍然是超滤技术推广应用中亟需解决的问题。针对国内外膜污染的理论与实践研究基础,本论文从膜-污染物及污染物-污染物之间微观作用力层面,揭示溶解性有机物对超滤膜的污染机制,主要成果如下:(1)对原子力显微镜(AFM)胶体探针技术进行开发,自行设计搭建了胶体探针制备装置,首次采用熔融烧结法成功制备了PVDF超滤膜材料胶体探针,建立了物理粘附法制备羧基胶体探针、吸附法制备有机物胶体探针的技术方案。解决了既往不能直接测定实际污染物与超滤膜及污染物-污染物之间作用力的研究问题,为使用微观作用力解析溶解性有机物超滤膜污染机理奠定了技术基础。(2)利用研发的PVDF及模拟有机物胶体探针,分别测定了PVDF与模拟有机物腐殖酸(HA)、多糖(SA)、蛋白质(BSA)及有机物-有机物间的作用力,并将作用力测定结果与不同运行阶段的膜污染行为相结合。结果表明,PVDF-HA之间的作用力为0.36 m N/m,PVDF与SA及BSA间作用力分别为1.02和0.74 m N/m,运行初期HA引起的膜污染幅度最小,而BSA及SA污染膜通量大幅度衰减,即膜-污染物间的作用力控制着运行初期的超滤膜污染行为。此外,BSA-BSA、SA-SA及HA-HA之间的平均作用力分别是0.41、0.14、0.10 m N/m,结合污染膜的稳定运行通量发现,污染物间的作用力是控制运行后期超滤膜污染行为的主要因素。(3)采用AFM考察了HA、SA、BSA污染层的表面结构特征,并研究了三种污染膜通量恢复性能。结果表明,HA污染膜面形成松散多孔的污染层,膜通量几乎100%恢复;BSA污染层非常密实且无孔结构存在,膜通量恢复率小于40%;而SA污染层也较为疏松多孔,膜通量恢复达到80%以上。结合三种有机物之间的作用力发现,污染物-污染物之间的作用力越大,对应的污染层越致密,不可逆污染越严重;反之,所形成的污染层疏松多孔,不可逆污染小。上述现象说明污染物之间的相互作用力是控制超滤膜不可逆污染的关键因素。(4)将城市二级处理水中溶解性有机物分割为亲水性(HPI)、疏水性(HPO)及过渡性(TPI)三类。使用所制备胶体探针,分别测定了PVDF与三类有机物及同类型有机物之间的作用力,结合宏观的超滤膜过滤试验,识别二级处理水中的优势膜污染物。结果表明:不同运行阶段超滤膜优势污染物种类并不相同,PVDF-HPI之间的作用力最大,是运行初期的优势污染物。疏水性有机物之间较强的作用力使得其成为运行后期的优势污染物。相比于亲水性和疏水性有机物,TPI引起的膜污染幅度最小,相应PVDF-TPI及TPI-TPI之间的作用力最弱。(5)使用有机物胶体探针,测定了HPO-HPI、TPI-HPO及TPI-HPI不同亲疏水性有机物之间的作用力,结合同类型有机物间作用力大小发现,HPI-HPIHPO-HPIHPO-HPO,TPI-TPITPI-HPOHPO-HPO,TPI-TPITPI-HPIHPI-HPI。说明针对两种有机污染物,如A与B,若A-AB-B间的作用力,则出现A-AA-BB-B的关系,即两种不同类型有机物之间的作用力大小,处于相应两种同类型有机物-有机物间作用力大小区间内。(6)采用胶体探针测定了不同盐浓度下,PVDF-BSA及BSA-BSA之间的相互作用力;并使用QCM-D技术研究相应盐浓度的BSA在PVDF超滤膜界面的吸附行为及吸附层结构特征,结合过滤试验及BSA去除率,解析不同含盐废水中有机物在超滤膜界面的微观作用行为及作用过程。结果表明,盐浓度从0增加到1 m M时,静电作用力的变化起主导作用,PVDF-BSA与BSA-BSA之间作用力的增强,导致BSA在PVDF膜面的吸附速率及吸附层密实度明显增大,相应BSA去除率及膜污染幅度增强。当盐浓度从1增加到10及100 m M,水合排斥力的出现削弱了PVDF-BSA及BSA-BSA间作用力,伴随着BSA水力学直径的减小及其在PVDF膜面吸附量的减缓,最终引起BSA去除率的下降及膜污染的大幅度缓减。首次发现膜污染过程中,水合排斥力的存在及对有机物膜污染的影响机理。


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