基于原子层沉积微滤膜表面光催化改性及膜污染特性研究

发布时间：2017-07-06 10:06

  本文关键词：基于原子层沉积微滤膜表面光催化改性及膜污染特性研究

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【摘要】：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。
【关键词】：原子层沉积 光催化改性膜 ZnO 膜污染控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703;TQ028.8
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 绪论12-23
• 1.1 课题研究的背景和意义12-14
• 1.2 膜材料改性的研究现状14-17
• 1.2.1 膜材料的亲水改性14-16
• 1.2.2 膜材料的光催化改性16-17
• 1.3 原子层沉积技术研究现状及分析17-21
• 1.3.1 原子层沉积技术概述17-19
• 1.3.2 国内外研究现状19-20
• 1.3.3 国内外文献简析20-21
• 1.4 本课题的研究内容和技术路线21-23
• 1.4.1 研究内容21-22
• 1.4.2 技术路线22-23
• 第2章 实验材料与方法23-36
• 2.1 实验材料与仪器设备23-24
• 2.1.1 实验材料23
• 2.1.2 实验仪器设备23-24
• 2.2 基于ALD沉积PVDF微滤膜的光催化改性24-27
• 2.2.1 微滤膜碱溶液预处理原理24-25
• 2.2.2 ALD膜光催化改性原理25
• 2.2.3 ALD膜改性实验流程25-27
• 2.3 PVDF微滤膜性能测试方法27-32
• 2.3.1 静态水接触角测试27
• 2.3.2 清水膜通量测试27-28
• 2.3.3 BSA蛋白质静态吸附测试28-29
• 2.3.4 BSA蛋白质截留率测试29
• 2.3.5 ZnO沉积量及稳定性测试29-30
• 2.3.6 膜孔隙率测试30
• 2.3.7 微观形态分析30-31
• 2.3.8 表面形态及粗糙度分析31
• 2.3.9 元素价态分析31
• 2.3.10 官能团特征分析31
• 2.3.11 拉伸机械强度测试31
• 2.3.12 热稳定性能测试31-32
• 2.4 ZnO-ALD光催化改性PVDF微滤膜光催化性能表征32-33
• 2.4.1 晶体结构分析32
• 2.4.2 光催化降解MB实验32
• 2.4.3 光催化降解产物分析32-33
• 2.5 ZnO-ALD光催化改性PVDF微滤膜控制膜污染行为分析33-36
• 2.5.1 SMP和EPS的提取及测定33
• 2.5.2 EPS静态吸附容量及膜通量测试33-34
• 2.5.3 膜过滤阻力分析34
• 2.5.4 膜表面泥饼层提取及总质量测定34-35
• 2.5.5 膜面污染物成分分析35
• 2.5.6 膜面污染物官能团分析35-36
• 第3章 基于ALD微滤膜改性过程的影响因素研究36-54
• 3.1 碱溶液预处理时间的影响特性研究36-40
• 3.1.1 对ZnO沉积量及结合稳定性的影响36-37
• 3.1.2 对表面亲水性能的影响37-38
• 3.1.3 对清水膜通量的影响38-39
• 3.1.4 对抗污染吸附效能的影响39
• 3.1.5 对光催化效能的影响39-40
• 3.1.6 碱溶液预处理时间的优选40
• 3.2 沉积腔体温度的影响特性研究40-44
• 3.2.1 对ZnO沉积量及结合稳定性的影响41
• 3.2.2 对表面亲水性能的影响41-42
• 3.2.3 对清水膜通量的影响42-43
• 3.2.4 对抗污染吸附效能的影响43
• 3.2.5 对光催化效能的影响43-44
• 3.2.6 沉积腔体温度的优选44
• 3.3 沉积循环次数的影响特性研究44-49
• 3.3.1 对ZnO沉积量及结合稳定性的影响45-46
• 3.3.2 对表面亲水性能的影响46
• 3.3.3 对清水膜通量的影响46-47
• 3.3.4 对抗吸附污染效能的影响47-48
• 3.3.5 对光催化效能的影响48
• 3.3.6 沉积循环次数的优选48-49
• 3.4 脉冲等待时间的影响特性研究49-53
• 3.4.1 对ZnO沉积量及结合稳定性的影响49-50
• 3.4.2 对表面亲水性能的影响50
• 3.4.3 对清水膜通量的影响50-51
• 3.4.4 对抗吸附污染效能的影响51-52
• 3.4.5 对光催化效能的影响52
• 3.4.6 脉冲等待时间的优选52-53
• 3.5 本章小结53-54
• 第4章 ZnO-ALD表面光催化改性微滤膜性能表征54-71
• 4.1 改性前后PVDF微滤膜表面微观形态分析54-56
• 4.1.1 表面形貌变化分析54-55
• 4.1.2 微观结构及粗糙度变化分析55-56
• 4.2 改性前后PVDF微滤膜表面元素及官能团分析56-60
• 4.2.1 元素组成变化分析56-57
• 4.2.2 表面官能团组成分析57-58
• 4.2.3 表面元素价态分析58-60
• 4.3 改性前后PVDF微滤膜物化稳定性能分析60-63
• 4.3.1 机械稳定性能分析60
• 4.3.2 热稳定性能分析60-61
• 4.3.3 膜通量稳定性分析61-62
• 4.3.4 孔隙率及截留率变化分析62-63
• 4.4 微滤膜光催化性能分析63-69
• 4.4.1 微滤膜表面ZnO晶相分析63-65
• 4.4.2 紫外条件下不同浓度MB光催化降解效能分析65-67
• 4.4.3 不同光源下MB光催化降解效能分析67-69
• 4.5 本章小结69-71
• 第5章 ZnO-ALD表面光催化改性微滤膜污染特性研究71-82
• 5.1 EPS静态吸附污染特性研究71-75
• 5.1.1 EPS中多糖和蛋白静态吸附容量分析71-72
• 5.1.2 EPS静态吸附后清水膜通量变化分析72-74
• 5.1.3 EPS静态吸附后过膜阻力变化分析74-75
• 5.2 膜面泥饼层污染特性研究75-80
• 5.2.1 膜面泥饼层污染物积累状况分析76
• 5.2.2 膜面泥饼层SMP和EPS组成分析76-77
• 5.2.3 膜面泥饼层SMP和EPS荧光特性分析77-79
• 5.2.4 膜面泥饼层官能团特性分析79-80
• 5.3 本章小结80-82
• 结论82-84
• 参考文献84-92
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果92-94
• 致谢94

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本文编号：525718