纳滤膜苦咸水软化分离性能及膜面污染研究

发布时间：2020-08-31 10:17

　　苦咸水软化是解决我国淡水资源短缺的有效途径之一,本课题通过模拟我国黄淮地区华北山前冲积平原与中部冲积平原交接处的苦咸水为研究对象,通过实验室小试装置,构建纳滤(NF)膜法软化系统,积极探索影响NF膜污染的因素,以期达到减轻膜污染,降低产水费用,加速苦咸水软化的工业化发展。本课题主要包含以下几个方向的研究:(1)考察了包括跨膜压差(0.60-2.20MPa)、切向流速(0.09-0.31m·s~(-1))和进水温度(17-37?C)等操作条件和pH值(3-10)、TDS(1317-5926mg·L~(-1))等进水物性对DL、DK型NF膜软化分离性能的影响效应。实验结果显示,DK膜的最佳操作压力1.60MPa、DL膜的最佳操作压力为1.50MPa,DK膜的最佳切向流速选定0.17m·s~(-1),DL膜的最佳切向流速选定0.15m·s~(-1)、进水温度25?C时,NF膜软化系统有较高的膜产水通量。同时DK和DL膜对主要二价成垢离子Ca~(2+)、Mg~(2+)、CO_3~(2-)和SO_4~(2-)的具有较高截留率,表明NF膜有良好的软化分离性能。DK和DL纳滤膜比通量随pH值的增加分别呈先上升后下降和缓慢下降的趋势,pH为6.0时,膜比通量最大而TDS、Mg~(2+)、Ca~(2+)的去除率却相对较小,可以推测pH增大到6左右时正好达到等电点,膜污染减弱所以膜比通量最大。膜比通量随进水TDS的增加呈整体下降趋势,TDS去除率下降,Mg~(2+)离子和Ca~(2+)离子的去除率变化不大,因为随着进水盐度的增加,纳滤膜表面及膜孔内的Donnan效应和静电效应减弱,从而导致纳滤膜对溶液中离子的截留率降低,但溶质穿过膜的推动力变大,使更多溶质穿过膜。(2)考察膜面的有机污染在TOC(2.72-12.24mg·L~(-1))的进水条件下,随进水TOC的增加膜比通量呈整体下降趋势。结果表明,对UV_(254)的平均去除率保持在85%以上,腐殖酸表面所含的多种官能团可以与水中共存的金属离子进行络合反应,形成具有复杂结构特征的大分子物质导致膜污染加重,形成厚的滤饼层可以提高纳滤膜对离子的截留率。DL膜的粗糙度(Rms)大小顺序为:改变Mg~(2+)改变Ca~(2+)同时改变Ca~(2+)和Mg~(2+)。有机物的去除率上升,是因为钙镁离子浓度高时能与与腐殖酸形成“盐桥”,或者形成Ca~(2+)-HA和Mg~(2+)-HA复合物堵塞膜孔使膜通量下降,有机物去除率上升,通过三维荧光可以明显发现。HA单独存在或与不同的阳离子共存时,膜比通量下降情况如下HAHA+Na ClHA+CaCl_2=HA+MgSO_4HA+FeCl_3,HA与不同阳离子共存时污染的协同效应导致通量下降不同,因为HA分子对膜影响最严重,易于沉积在膜上导致膜孔阻塞。(3)根据前期进水物性和流体力学实验结果,各操作条件均保持最佳分离效果的状态,进行长期稳定运行(操作压力1.50±0.05MPa、切向流速0.15m·s~(-1)和温度25℃)。考察了DL纳滤膜对苦咸水中主要无机离子及天然有机物的截留效果,进而研究在长期稳定运行过程中DL膜对苦咸水的软化分离效果。实验结果表明,膜产水通量、对无机盐的截留率和对总有机碳的去除率(以UV_(254)值计)均随操作时间的增加呈不断下降的趋势,并且能去除苦咸水中40%的Ca~(2+)和Mg~(2+),纳滤膜脱盐顺序为:Mg~(2+)Ca~(2+)Na~+K~+。大幅度降低苦咸水的硬度,纳滤膜的软化分离性能良好,运行至267h时,膜比通量下降幅度超过10%,进行化学清洗,酸洗后膜比通量恢复率达到90.97%,酸洗加碱洗后该值高达94.57%。结合扫描电子显微镜和原子力显微镜表征结果,可知化学清洗对膜污染有较好的去除效果。
【学位单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU991.26
【部分图文】：

浓差极化,边界层

图 1-1 使用边界层描述浓差极化Fig. 1-1 Concentration polarisation is by using the boundarlayer包括无机污染、有机污染、微生物污染、胶体污常见的影响膜污染的污染物如表 1-1 所示。机污染主要是指钙离子、镁离子等二价阳离子与形成的沉淀所造成的污染，其中以碳酸钙和硫酸机污染的原因归结为无机盐的表面晶体和主体晶的下降归结为两者综合作用的结果，且具体受操0]。

示意图,络合反应,示意图,渗透通量

高的表面积使不同组分的 NOM 更容易被膜保留[108]。Ca2+离子存在电荷产生屏蔽中和或与表面的官能团发生络合反应[109]。通过 Ca2+物的原因是 HA 分子形成小的，卷曲的结构，如图 1-3 所示[110]。]等研究 Mg2+离子和 HA 在 NF270 膜软化地表水过程中对膜污染的Mg2+时，进水溶液的渗透通量有轻微下降，仅添加 HA 时下降了，在时，渗透通量下降高达 70%，这主要是因为 Mg2+在 HA 分子和膜了桥连剂作用。HA 形成疏松的污染层，Mg2+离子的加入，致使双电膜表面和腐殖酸大分子的电荷减少，最终在膜表面和 HA 之间的静表面形成一紧凑的污染层，最终导致进一步渗透通量减少。同样地膜总污染阻力和污染不可逆性，因为 Ca2+和 HA 结合形成复合物但同时添加 Na+和 Ca2+离子于溶液中，可以减缓膜污染，因为 Na+减的络合或通过静电屏蔽减弱钙离子和带负电荷的膜与 HA 之间的粘

探针,原子作用,轻敲模式,扫描探针显微镜

图 2-2 场发射扫描电子显微镜 (a. DK 膜 b. DL 膜)Fig.2-2 Field emission scanning electron microscope images (a. DK membranes b. DL membran.4.2 扫描探针显微镜（AFM）原子力显微镜可用于观察膜片的表面形貌，结合 SEM 对膜污染情况进行深入分先选取一小块膜片将其固定于样品架上，根据需要选取 6μm×6μm 的表面来表征。子探针逐渐与膜面接近至刚接触时，产生的原子作用力将使探针顶端偏离原来的。所以样品表面的形貌可以根据探针的偏离量间接获得。实验测试采用轻敲模式，面的粗糙度表征采用均方根粗糙度（RMS）。例如图 2-3 为某特定条件下 DK 和 DL三维 AFM 图。Rms=15.52Rms=16.94 b

【相似文献】