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基于正渗透技术的藻水分离研究

方文哲  
【摘要】:近年来,在水环境污染、全球温室效应等背景下,利用能源微藻对污水进行深度处理、吸收空气中的CO2并生产油脂受到越来越大的关注,但后续藻水分离成本费用高、传统分离技术会造成环境二次污染是藻体大规模商业化应用于污水深度处理的瓶颈所在。因此,如何高效且经济地实现藻水分离,同时保证出水水质对我国污水深度处理模式的发展具有重要意义。正渗透技术不需外在附加压力,所以具备低能耗的特点,但将正渗透技术实际应用在藻水分离中,仍存在出水通量低、膜污染严重、传统驱动液难回收、以及分离效率低等问题。针对上述问题,本文构建正渗透系统,构建过程中主要筛选驱动液离子种类、浓度及膜材料;选用小球藻为实验藻体,通过模拟藻水和真实藻水深入探究正渗透藻水分离性能;为了提高正渗透出水通量和回收再利用驱动液,本文还尝试制备氨基功能化磁性纳米复合材料Fe3O4@SiO2-NH2和Fe3O4-CMC@SiO2-NH2用作正渗透驱动液的探索性试验。主要内容包括如下4个方面:(1)构建正渗透系统,对比HTI公司商业化聚酰胺(TFC)正渗透膜与醋酸纤维(CTA)膜的盐截留率和水通量变化。研究表明:在相同操作条件和驱动液浓度下,TFC正渗透膜的正渗透起始水通量略大于醋酸纤维(CTA)膜,但CTA膜支持层表面致密性优于TFC膜,可有效阻止溶质分子渗透进入支撑层从而降低内浓差极化(ICP),4小时后水通量衰减小于TFC膜。所以从持久性考虑,本文后续正渗透实验均采用CTA膜。对比金属和非金属无机盐作为驱动液性能,并进一步改变金属无机盐溶液的离子种类、价态及浓度(研究对象Na+ K+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Al3+),表明非金属无机盐(NH4+)作驱动液时,最高初始水通量可达16.5 L/(m2·h),但4小时衰减量约有25%,而相同价态金属无机盐作驱动液时水通量基本不衰减;提高驱动液金属无机盐浓度,出水通量呈现上升趋势,但不符合线性关系;进一步提高驱动液金属无机盐价态,出水通量明显上升,但三价金属无机盐不适合于正渗透藻水分离。(2)将筛选出的优势离子作为驱动液对模拟藻水进行正渗透藻水分离,驱动液选用浓度为1 mol/L的一价、二价金属无机盐。和一价金属无机盐NaCl、KCl相比,利用二价金属无机盐CaCl2、MgCl2为驱动液时,初始出水通量高达20L/(m2·h),且反渗的二价金属无机盐质量及藻体对其的吸收或吸附作用都显著小于一价金属无机盐,但是二价金属无机盐为驱动液时,出水通量衰减明显且膜污染严重。这可能是由于二价金属无机盐溶液产生较大的驱动性,渗透压越高,膜内的内浓差极化越大,结果出水通量下降更快,同时二价金属离子反渗后会和藻体中一些官能团形成复合物,这可能是造成水通量衰减明显且膜污染严重的原因之一,最后导致高效藻水分离的持续性降低。所以从正渗透持续稳定性考虑,一价金属无机盐溶液优于二价金属无机盐溶液。(3)以一价金属无机盐溶液作为驱动液,进一步考察真实藻水体系正渗透分离性能。采用共聚焦显微镜、扫描电镜、倒置荧光生物显微镜、红外光谱、Etasizer Nano ZS纳米粒度和Zeta电位分析仪等分别表征藻体各个生长周期的生物量、胞内组成、Zeta电位、胞外多聚物(EPS)以及藻体渗透压,然后考察生物量浓度和培养周期对正渗透出水通量的影响。当藻体处于指数生长期,藻体Zeta电位从-21mV突降到-26.5mV,由于与膜的静电排斥作用,有利于减缓膜污染;在藻体整个生长周期中,胞内多糖比例不断上升,蛋白含量则不断下降;而EPS在指数生长期产生速度最快,其中有机物在附着性胞外多聚物(BEPS)中的含量要高于其在溶解性胞外多聚物(SEPS),所以在指数生长期进行藻水分离,水通量衰减相对较小,膜污染程度也比较低。藻体浓度对藻水分离水通量衰减影响显著,相同条件下正渗透运行4小时后,藻体浓度为0.1 g/L的藻水混合液出水通量稳定在5.5 L/(m2·h),而藻体浓度为0.8g/L的藻水混合液出水通量仅稳定在4 L/(m2·h),稳定通量相比藻体浓度为0.1g/L下降约30%。(4)制备功能化磁性纳米粒子作为新型驱动液,发现硅烷化包裹后氨基官能团修饰可以提高磁性纳米粒子驱动力,利用羧甲基纤维素钠(CMC)和淀粉可提高磁性纳米粒子的悬浮性。通过红外光谱、水通量等表征该功能化磁性纳米粒子用作正渗透驱动液的可行性,尽管磁性纳米粒子官能团在正渗透运行过程中嫁接稳定,脱落率低,但是出水通量在初始30分钟衰减显著,从约3L/(m2·h)降至仅0.6 L/(m2·h)。这可能是因为功能化磁性纳米粒子铁溶出导致严重膜污染,但铁溶出是否是造成膜污染最主要的原因及如何防控有待进一步探究。


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