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三种高通量膜去除水中镉离子性能的研究

钟溢健  
【摘要】:金属镉(Cd)是一种典型重金属元素,被广泛应用于制备真空电子管、化学稳定剂、杀菌剂、镍镉电池和太阳能电池等产品,是污染水环境的主要污染物质之一。去除水中Cd2+的方法很多,其中膜分离法因具有操作简单、效果稳定、便于维护等优势被广泛采用。目前,众多学者在开发高通量、高截留率的膜材料和寻求经济节能的膜分离方式,用其处理含Cd2+废水,实现环境效益与经济效益共赢。本文首先以来源广泛的常见生物质葡萄糖为原料,利用碲(Te)纳米线作为模板,采用模板指引水热法制备含碳纳米线;通过溶液蒸发自组装过程将含碳纳米线组装成含碳纳米线膜(CNM),并将其用于模拟含Cd2+废水的处理研究。通过静态吸附实验、连续流过水实验考察CNM对模拟含Cd2+废水的处理效能,分析各因素对截留过程的影响;并结合表征分析,探讨截留机理。通过静态吸附实验研究了CNM对模拟含Cd2+废水的吸附性能,考察溶液p H、吸附时间、Cd2+初始浓度、吸附温度等因素对吸附性能的影响。结果显示,25℃下CNM对Cd2+的最大吸附容量为312.5 mg·g-1,最佳p H为5.0,20 min内CNM对Cd2+的吸附即可达到平衡,吸附量随着这温度提高而增加。静态吸附实验数据符合拟二级动力学,CNM表面的含氧官能团(羟基和羧基)是Cd2+的吸附位点。吸附热力学分析结果说明,在选择温度范围内,吸附过程使吸热过程;吸附活化能为61.4 k J·mol-1,说明化学吸附占主导地位。除吸附作用外,模拟废水中Cd2+与CNM表面形成双电层,可阻止溶液主体中的Cd2+通过膜从而实现截留。在吸附作用和双电层截留作用共同作用下,CNM在较低的外加压力(2 k Pa)下可获得水通量为352.3 L·m-2·h-1,在Cd2+初始浓度为10 mg·L-1时截留率为90.6%,实现吸附-过滤一体化。外加压力驱动的膜分离过程存在能耗高的缺点。为进一步降低膜分离过程中的能耗。本文采用无需外加压力驱动的正向渗透(Forward osmosis,FO)对模拟含Cd2+废水进行处理,以寻求更为经济的膜分离过程用于处理重金属离子引起的水污染问题。现今用于FO过程研究的膜材料主要是由薄而致密的活性分离层和提供机械强度的多孔支撑层构成的有机聚合物膜。这种“两层结构”导致在多孔支撑层内部发生内浓差极化(ICP)现象,使FO水通量明显低于理论水通量。利用微界面溶胶凝胶法在不锈钢网基底表面生成Si O2活性层,制备得到准对称无机膜(QSTFI膜),并研究其在FO过程中截留Cd2+的行为特征。实验结果表明,QSTFI膜的活性层和基底材料没有明显分界面,膜表面携带负电荷,对水接触角为67.71°。QSTFI膜独特的准对称结构可以避免ICP发生,而且膜表面亲水,使得QSTFI膜在DS为2.0 mol·L-1 Na Cl溶液、FS为10 mg·L-1 Cd2+溶液时获得水通量为68.0 L·m-2·h-1,高于常见的有机聚合物FO膜。QSTFI膜表面携带负电荷,可以与FS中的Cd2+形成双电层,从而截留Cd2+。当DS为2.0 mol·L-1 Na Cl溶液、FS为10 mg·L-1 Cd2+溶液时,截留率为99.46%。为进一步提高QSTFI膜处理模拟含Cd2+废水的效能,使用聚乙烯醇(PVA)对QSTFI膜进行表面亲水修饰。主要从膜结构、表面荷电特性和表面亲水性三个方面对PVA修饰膜(PVA-QSTFI膜)和原始QSTFI膜进行比较;并通过实验考察PVA-QSTFI膜处理模拟含Cd2+废水的效能。研究发现,PVA-QSTFI膜保留了QSTFI膜的准对称结构、表面携带负电荷增多、表面亲水性提高。通过实验优化,得到最佳的PVA修饰浓度为0.5 wt%,对应的P0.5膜在DS为2.0 mol·L-1 Na Cl溶液、FS为10 mg·L-1 Cd2+溶液条件下水通量为76.48 L·m-2·h-1,比同条件QSTFI膜提高12.5%;Cd2+截留率为99.58%。综上所述,本文制备了高水通量的膜材料CNM、QSTFI和PVA-QSTFI膜,用于处理模拟含Cd2+废水;并研究了膜材料在低外加压力和渗透压差作用下的透水及截留Cd2+特征,为制备新型膜材料用于处理重金属水体污染提供了科学依据,具有现实的指导意义。


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