超双疏复合膜的制备及用于膜蒸馏处理焦化废水的研究

发布时间：2020-11-13 04:11

　　焦化废水经生化处理后其污染物排放值仍难以达标,因此有必要进行深度处理方可达到“零排放”要求。“双膜法”处理是目前焦化废水深度处理的最优选择,但由于膜易受污染,需要许多预处理单元保护,整个处理流程复杂、维护繁琐。因此迫切需要寻求一种工艺流程相对简单的膜处理技术,为实现焦化废水“零排放”提供研究示范。膜蒸馏(MD)结合了蒸馏与膜分离技术的优点,理论上可100%分离水蒸气和其他不挥发性组分,达到“一步式”净水的目的。由于MD易与其他潜热能耦合,这对于余热资源丰富的焦化厂,采用MD深度处理焦化废水具有一定的应用潜力。同其他膜分离过程,MD运行过程中也存在不可避免的膜污染问题,因此急需制备一种MD抗污染专用膜。人们受“荷叶效应”抗污染自清洁性的启迪,采用了不同方法仿生制备超疏水膜。然而,一些有机物如类腐殖酸可与超疏水膜发生吸附解析导致膜污染和润湿,使得其应用受到了限制。最近的研究发现,超双疏表面可以抵抗油类和其他疏水性物质的污染。本研究对传统疏水膜进行超双疏改性,研究其表面润湿性,并将其用于直接接触式膜蒸馏(DCMD)处理焦化废水生化出水(BTCW),检验其抗污染和抗润湿性能。因此,本研究主要分为如下内容:(1)采用纳米SiO_2协同氟硅烷(17-FAS)对PVDF平板膜进行表面改性,通过接触角仪、扫描电镜、X射线能谱及傅里叶变换红外光谱进行表征,并采用该材料用于DCMD处理BTCW。结果表明,改性后水和乙二醇的接触角分别为154.8°和137.0°,膜材料表现出超疏水和疏油性;材料表面形成多级粗糙度结构且表面官能团发生变化,证明成功制备出SiO_2/17-FAS/PVDF复合膜材料。复合膜通量稳定,明显改善了原膜膜通量衰减(下降约41%)。复合膜出水中TOC从未改性前10.0 mg/L降低至2.0 mg/L,且色度、浊度、氨氮、UV_(254)等各项指标均优于原膜出水水质。(2)采用响应面法对膜改性条件:A(NaOH浓度)、B(SiO_2百分含量)及C(17-FAS体积分数)为控制参数,进一步优化实验设计。对回归方程方差分析可知,影响膜表面水接触角的因素:BAC;交互影响BCACAB。而对于油接触角影响主要因素为C,交互影响BCAB,其中对乙二醇的影响最为显著。通过对模型的评价与验证,预测模型准确可靠,最优改性条件如下:NaOH 7.52mol/L,SiO_2百分含量0.05wt%,17-FAS的体积分数1.90%(V/V正己烷),此条件下复合膜对水、二碘甲烷和乙二醇的接触角分别为161.18°、151.50°和153.11°。(3)在最佳改性条件下,采用静电吸附法和共价接枝法分别制备出超双疏复合膜-1和复合膜-2。经表征发现,复合膜-2表面形成更牢固的多维凹角微纳米粗糙结构,这是构造超疏油表面的关键,磨损冲击实验结果表明复合膜-2更稳定。将超双疏复合膜用于DCMD处理BTCW。经120h实验后发现,原膜通量衰减达65%,膜表面被大量无机盐、腐殖酸和杂环类化合物(如啶,呋喃,喹啉)等粘附。复合膜-1和复合膜-2通量衰减分别为15%和6%,膜表面未检测到污染物存在。这主要是由于复合膜表面超双疏涂层的存在,对焦化废水有很强的排斥作用,其内有机污染物很难接触膜表面,因此膜受污染程度小,通量衰减小。通过研究膜蒸馏出水电导率、TOC的变化规律可知:超双疏复合膜出水水质稳定且优于原膜出水。3D-EEM分析进一步表明,原膜出水中检测到腐殖酸类污染物存在,说明原膜被部分润湿,而超双疏膜抗润湿效果良好。上述结果表明,超双疏复合膜具有更好的抗污染和抗润湿性,而复合膜-2稳定性最佳,有利于MD长时间运行。超双疏表面调控为MD膜抗污染改性提供了可行思路。
【学位单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X784;TQ051.893
【部分图文】：

模型图,模型,过渡态,接触角