纳滤处理苦咸水的实验研究

发布时间：2020-09-18 17:08

　　西部地区由于独特的自然、地质条件和水文循环,苦咸水分布广泛。苦咸水含有高浓度盐分,不仅饮用口感差,而且长期饮用会引起消化疾病,肠胃功能紊乱,甚至有可能诱发结石和癌症。另外,由于苦咸水中所含有多种可溶性无机盐,化学性质活泼,不适宜作为工业生产的直接水源,需要进行对其淡化处理。因此,如何合理有效的开发利用苦咸水,成为缓解水资源短缺、减少疾病和促进发展的重要解决方法。自纳滤技术问世以来,由于纳滤在去除水中杂质以及部分可溶性物质的同时,可以有效的保留了一些水中对人体有益的元素及其他成分,使纳滤膜成为高含盐水处理领域的热点之一,各个国家均投入了较大的人力物力研究纳滤技术,我国也积极参与发展。但是由于起步较晚,目前主要的研究对象是进口膜,而关于国产纳滤膜的研究和应用较少。基于此,本文选用两种国产纳滤膜,进行苦咸水淡化的基础性研究,为国产纳滤膜的深层次研究以及实际工程应用提供数据支持。本论文主要测定了两种国产纳滤膜的特征参数(纯水透过系数L_P、反射系数σ和溶质透过系数P_s)和结构参数(膜孔半径);并通过单组分、双组分以及多组分无机盐溶液截留实验研究了纳滤膜对苦咸水中常见阴阳离子的截留效果,分析对比离子间的相互作用;通过单因素和正交试验研究了操作压力、进水浓度、温度及pH对纳滤膜淡化苦咸水性能的影响,并优化工艺条件。得出以下结论:(1)通过NaCl溶液截留实验,对纳滤膜NF1和VNF2的特征参数和结构参数进行了表征。实验结果表明:纳滤膜NF1的反射系数σ=0.6782,溶质透过系数P_s=18.05×10~(-6)m/h,膜孔半径r_p=3.46×10~(-10)m;纳滤膜VNF2的反射系数σ=0.9301,溶质透过系数P_s=1.5403×10~(-6)m/h,膜孔半径r_p=1.78×10~(-10)m。NF1的膜孔半径大于VNF2的膜孔半径,其对溶质的截留能力要小于VNF2膜。(2)单组分无机盐溶液截留实验表明:在相同条件下,两种纳滤膜在淡化NaCl溶液时的膜通量最大,截留率最小,说明溶质半径是影响膜通量和截留率的重要因素。通过纳滤膜对各种溶质的截留率可以得出:纳滤膜NF1对各溶质阴阳离子截留率的先后顺序为:对阳离子有:Mg~(2+)Ca~(2+)Na~+,对阴离子有:HCO_3~-SO_4~(2-)Cl~-;而纳滤膜VNF2对各溶质阴阳离子截留率的先后顺序有:对阳离子有:Mg~(2+)Ca~(2+)Na~+,对阴离子有:SO_4~(2-)HCO_3~-Cl~-。两种纳滤膜对阴离子截留顺序不同,是因为电黏滞效应引起纳滤膜孔径变化的影响不同。(3)双组分以及多组分无机盐溶液截留实验表明:纳滤膜截留无机盐溶液时,纳滤膜对二价离子的截留率高于一价离子,且同种电荷离子之间存在竞争作用,使得纳滤膜截留混合溶液中的离子时一般会小于纳滤膜截留单组分溶液时的截留率。纳滤膜NF1淡化处理NaCl/Na_2SO_4混合溶液时,出现了渗透液中的Cl~-浓度高于进水的现象,其最大浓度达到了进水的205%。而对纳滤膜VNF2来说,这种竞争作用的影响较小,没有出现渗透液中离子浓度大于进水的现象,说明了膜孔径是纳滤膜截留性能的决定性因素。同种电荷离子的竞争作用也表现为离子间的扩散系数和水合半径相差越大,相互之间的竞争作用越明显,截留率变化越大,扩散系数和水合离子半径相差越小,相互之间的竞争越小,截留率变化也越小;且高价离子对于低价离子的影响明显超过同价离子之间的影响。(4)单因素实验表明:实验进水浓度的增高(进水由1000mg/L增加到5000mg/L),纳滤膜NF1和VNF2的膜通量和截留率都减小,纳滤膜NF1的截留率随进水浓度的影响变化较小,比较稳定;在实验温度由10℃升高到25℃的过程中,NF1和VNF2的膜通量和截留率都随之升高,但VNF2的截留率随进水温度的影响变化较小;在进水pH范围内(pH由6上升到9),纳滤膜NF1的膜通量减小,而VNF2的膜通量变化很小,同时pH的变化对NF1和VNF2的截留率的影响也不相同,VNF2的截留率随pH的升高而升高,NF1的截留率则在pH等于7时最大;在实验操作压力变化范围内,操作压力的增加有利于两种膜的通量和截留率的增大。(5)正交试验研究表明:在实验范围内,纳滤膜NF1的膜通量影响因素的主次顺序为操作压力进水浓度温度p H,膜通量最大的最佳条件是进水浓度为1000mg/L,操作压力为0.4MPa,进水的pH为6,温度为20℃;影响截留率的因素顺序为操作压力温度进水浓度p H,截留率最大的最佳条件是进水浓度为1000mg/L,操作压力为0.4MPa,pH为7,温度为20℃。纳滤膜VNF2的膜通量影响因素的主次顺序为操作压力进水浓度温度pH,膜通量最大的最佳条件是进水浓度为1000mg/L,操作压力为0.4MPa,pH为6,温度为20℃;影响截留率的因素顺序为进水浓度操作压力pH温度,截留率最大的最佳条件是进水浓度为1000mg/L,操作压力为0.4MPa,pH为8,温度为20℃。(6)对膜通量和截留率进行综合考虑,纳滤膜NF1和VNF2的最佳工艺条件都为操作压力0.4MPa,温度20℃,pH为7。
【学位单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU991.2
【部分图文】：

技术路线图,苦咸水,水质型缺水,文通

- 10 -图 1.1 技术路线图文通过国产纳滤膜对苦咸水进行处理，将苦咸水中的大部分离子去除，降之成为安全卫生的人、畜饮水和生活用水，减缓西北地区水质型缺水；同水进行处理，取得较为详细的溶质截留率的实验室资料，为工程应用提供

变化曲线,纯水通量,纳滤膜,运行时间

兰州交通大学硕士学位论文.1 实验步骤用两种纳滤膜 NF1 和 VNF2 分别进行纯水渗透实验。实验温度为 25℃，操作 0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa，每个压力下运行 2 小时，第每隔 10min 取样一次，第二小时每隔 30min 取样一次。.2 实验结果纳滤膜纯水通量随时间的性能变化曲线如图 3.1、3.2 所示，从图中可以看出，作压力下，纳滤膜的纯水通量在运行时间内变化很小，说明这两种纳滤膜纯水定的，且纳滤膜 NF1 的纯水通量要大于纳滤膜 VNF2，这说明纳滤膜 NF1 的 VNF2，在相同的操作压力下，纯水更容易通过纳滤膜 NF1。

变化曲线,纯水通量,纳滤膜,运行时间

纳滤膜纯水通量随时间的性能变化曲线如图 3.1、3.2 所示，从图中可以看出，作压力下，纳滤膜的纯水通量在运行时间内变化很小，说明这两种纳滤膜纯水定的，且纳滤膜 NF1 的纯水通量要大于纳滤膜 VNF2，这说明纳滤膜 NF1 的 VNF2，在相同的操作压力下，纯水更容易通过纳滤膜 NF1。图 3.1 运行时间对 NF1 纯水通量的影响

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