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聚乙烯醇改性无纺布复合膜的制备与耐污染性能研究

仉春华  
【摘要】: 膜生物反应器(MBR)是将膜分离技术和生物反应器相结合的一个新型污水处理工艺。MBR以膜分离装置取代传统废水生物工艺中的二沉池,实现高污泥浓度运行,具有工艺流程简单、占地面积小、固液分离效率高、自动化程度好、剩余污泥产量少等优点。MBR作为一种新型高效的水处理技术,受到各国水处理技术研究者的日益关注。但是高造价的膜组件和膜污染问题成为当前限制MBR广泛应用的主要瓶颈。因此,有必要研究降低膜组件造价和减少膜污染的方法,这对扩大MBR的应用领域具有重要意义。 本实验研究以国内企业生产的、价格低廉的过滤材料-无纺布代替目前MBR中通常使用的高分子膜材料;为了预防和减少膜污染,以聚乙烯醇(PVA)为改性材料,采用表面涂敷法对疏水性的无纺布表面进行亲水改性,制备了PVA改性无纺布复合膜,用于废水处理。本研究主要考察了制膜工艺和制备条件对PVA改性无纺布复合膜性能的影响以及复合膜的耐污染性能;并借助全反射红外光谱(ATR-FTIR)、X光电子能谱(XPS)以及扫描电子显微镜(SEM)等现代分析技术对复合膜的表面微观结构和表面化学结构进行了表征和分析。研究内容有: (1)考察了有/无亲合剂(聚乙二醇)预处理以及改变PVA浓度、催化剂浓度、涂膜时间、热处理温度和时间,复合膜的纯水通量和静态水接触角的变化。结果表明:亲水化预处理有利于PVA均匀地附着于无纺布的表面,但是复合膜纯水通量明显小于没有预处理的复合膜,而两者的静态接触角则没有显示出较大的差别。增加PVA和交联剂浓度以及涂膜时间、热处理温度和时间,均使复合膜的纯水通量降低。PVA改性使无纺布表面的亲水性能得到明显改善。 (2)采用无亲合剂预处理的制膜工艺,考察了PVA浓度以及交联剂浓度、基膜(无纺布)公称孔径对复合膜的纯水通量、截留率、固定度以及拉伸强度和撕裂强度的影响。结果表明:增加PVA和交联剂的浓度以及减小基膜公称孔径,均使复合膜的纯水通量降低,对聚丙烯酰胺(分子量860万)的截留率提高。PVA在无纺布表面的固定度随着PVA浓度增大而增加,但交联剂浓度变化对固定度的影响不明显。PVA改性增强了无纺布的机械性能,复合膜的拉伸强度和撕裂强度均大于未改性无纺布,但受铸膜液中PVA浓度和交联剂浓度变化的影响。 (3)ATR-FTIR、XPS以及SEM对复合膜的表面微观结构和表面化学结构的表征和分析结果表明:基于吸附、沉淀等物理化学作用的改性方法,改变了无纺布的表面性质和表面分子结构,在无纺布表面引入了基团-OH和C-O-C,且羟基以多种形式存在于改性无纺布的表面。通过化学交联作用增强了PVA薄膜分子间的相互作用,同时保留了无纺布的基本结构。改性后无纺布表面的组成元素中有C、O两种元素。C元素有三种结合形式,除了C-H外,增加了C-O和O-C-O两种结合形式。改性无纺布中由于含氧基团的引入,O元素的相对含量显著增加,C元素相对含量有所降低。PVA改性使无纺布的空隙率减小,表面变得更光滑。在断面扫描图中发现存在明显的界面层,说明在无纺布的表面复合了PVA薄膜,形成了复合膜结构。 (4)通过静态吸附牛血清蛋白(BSA)实验和动态处理人工废水实验,研究了复合膜的耐污染性能。PVA浓度为0.8wt%时得到的改性无纺布,对BSA吸附量最小,与未改性无纺布相比,BSA吸附量降低了83.4%,说明无纺布经PVA改性后能有效抑制BSA的吸附,增加无纺布的耐污染性能。改性前后无纺布的膜污染指数(MFI)分别为0.9519和0.2238,改性无纺布显示了良好的耐污染性能。采用统计分析方法研究了MBR中的胞外聚合物(EPS)、溶解性EPS(EPS_S)组分中的P/C(蛋白质/多糖)、活性污泥的相对疏水性(RH)与膜污染阻力的相关性。结果表明:EPS_S以及其组分中的P/C、RH对膜污染阻力有明显影响,与改性无纺布/未改性无纺布膜污染阻力的皮尔逊相关系数r_p分别为:0.868/0.856、0.840/0.866、0.890/0.841。改性无纺布表面能有效抑制EPS_S的吸附,降低EPS_S中的P/C,减少活性污泥的吸附沉积,降低膜污染。 (5)将PVA改性无纺布复合膜的膜组件置于处理人工废水的浸没式膜生物反应器(SMBR)中,实验结果表明:改性无纺布虽然能有效减少膜污染,降低膜污染阻力,但在过滤过程中仍存在膜污染现象。改性无纺布的过滤阻力主要为膜污染阻力。在引入比污染阻力概念的基础上,以描述压力驱动过滤过程中膜通量与阻力关系的Darcy定律为基础,建立了描述SMBR间歇方式运行时,滤饼阻力控制的过滤过程中的比污染阻力与时间关系的数学模型:R_(stf)(t)=a(1-e~(-t/b)),利用此模型能够预测运行过程中膜通量的衰减趋势,其数学表达式为:J(t)=TMP/μ[R_m+a(1-e~(-t/b))]。将此模型用于预测SMBR处理制药废水的膜通量衰减趋势,与实测值比较的结果显示,当tb时,相对误差10%;当t2b时,相对误差5%。说明本文所建立的膜污染阻力模型在SMBR运行达到稳定状态后,能较好地预测膜通量衰减趋势,但是在运行初期非稳定状态(tb)时,相对误差较大。


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