超滤膜过滤界面电位特征及污染层形成过程研究

发布时间：2020-09-21 11:41

　　 如何更加深入的了解膜污染过程是有效控制膜污染的核心问题,更是指导膜组件优化和高效稳定运行的关键。本文应用Zeta电位监测及超声时域反射技术联合同步在线监测的方法,对典型有机污染物的膜污染行为及特征进行了研究,以此来建立科学的分析和评价膜污染方法。首先,对膜污染进程进行了膜面Zeta电位的超滤膜原位同步监测,对膜污染过程中的界面电位变化进行了实时表征。研究发现,在膜污染的不同阶段Zeta电位的变化趋势也不尽相同。在膜孔堵塞阶段,Zeta电位呈快速下降状态。当Zeta电位呈缓慢下降趋势时是滤饼层形成阶段。进入滤饼层压实阶段时Zeta电位趋于稳定,由于此时的膜表面已被实验膜污染物所覆盖,膜面电位完成了从膜本征电位向污染物本征电位的过渡,稳定后的电位值几乎不再变化。在此研究基础上,采用“差异时段过滤膜污染累积”方法对膜污染过程进行研究,并引入膜电位特征参数AZetaft2t1作为评价指标,与膜不可逆污染阻力做皮尔森相关性系数分析。研究发现,差异时段膜过滤中膜的不可逆污染程度与其过滤初期表面Zeta电位变化呈现出良好的负相关性。实验结果说明Zeta电位变化最剧烈时是过滤过程膜不可逆污染的主要阶段累积阶段,膜面不可逆污染的累积会加速膜过滤到达稳定阶段。相同条件下四种膜污染物形态中,SA过滤中不可逆污染累积量最大,计算得到的不可逆阻力达3.77E+12 m-1,而过滤达到稳定阶段的时间却最短。四种膜污染物最终造成的不可逆污染程度由大到小依次为SAMFsBSAHA。其次,联合超声时域反射技术(UTDR),在对膜污染进行Zeta电位监测的基础上进了膜过滤过程中滤饼层厚度及密度的实时表征。UTDR不仅能有效的监测污染层的形成和生长,还可以通过差动信号振幅的变化来表征污染层的密度变化。本研究通过对超声回波信号与滤饼层厚度间的协同关系来判断膜过滤进入滤饼层压实阶段的时间。利用Zeta电位与超声时域反射技术联合在线监测的方法弥补了各自的不足,更有利于在原位监测过程中了解膜污染过程的特点。结果表明,四种污染物进入滤饼层形成和压实阶段所需的时间由快到慢依次为SAMFsBSAHA。利用超声差动信号计算得实验最终各污染层厚度从厚到薄依次为HA、BSA、MFs和SA。通过XDLVO理论计算可知,膜-SA及SA-SA之间的相互作用力均大于其他几种污染物与膜及各自之间的相互作用力,膜污染过程中SA在膜面上的吸附速率较快,又由于自身作用力相对较强,更容易被压实,且根据超声反射数据计算得SA过滤最终形成的滤饼层也最薄。上述工作对于科学的判别膜污染的变化阶段和选择最佳的膜污染的控制时机有着重要的意义。
【学位单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ051.893;TU991.2
【部分图文】：

Ｃｏｎｔｏｉｓ邋＊Ｈｆｌｒ邋ｄ？ｉ逦Ｉ逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１－２邋（ａ）邋Ｘ射线成像装置（ｂ）氢氧化铁在膜孔内的沉积过程逡逑１．３．４电化学阻抗谱技术（Ｅ１Ｓ）逡逑电化学阻抗谱是给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流信号，测量逡逑交流信号电压与电流的比值（此比值即为系统的阻抗）随正弦波频率ｗ的变化，逡逑或者是阻抗的相位角0随ｗ的变化。进而分析电极过程动力学、双电层和扩散等，逡逑实现对传质过程及其机理的研宄。Ａｎｔｏｎｙ等人［Ｍ］研究证明电阻抗对膜结构的变逡逑化很敏感，电化学阻抗谱可用于在线监测膜污染过程。电阻抗测试装置主要由进逡逑

应用到对中空纤维膜的污染检测中，并将本来适用于平板膜的监测装置进行了适逡逑应性改造，实验采用线状电极内置于中空纤维膜膜丝内部，环状电极包围在膜丝逡逑外围的方式，如图１－３邋Ｕ）。整个系统浸没于电解质溶液中，在两电极之间施加一逡逑个交流电流信号来测量整个膜过程的阻抗变化，如图１－３邋（ｂ）。结果表明，膜孔逡逑隙率的增加会引起膜两侧电阻抗的增加。Ｔｒｉｅｕ等人用中空纤维膜内压式死端逡逑过滤的方法过滤二氧化硅溶液，并利用ＥＩＳ对实验过程进行监测。结果表明，随逡逑着过滤的不断进行，滤饼层的孔隙率在逐渐增加，同时滤饼层的厚度可以被确定。逡逑上述众多研宄均证实，电化学阻抗谱技术是在线监测膜污染的有效手段，但其监逡逑测受膜结构的限制较为明显。逡逑１．３．５超声时域反射技术（ＵＴＤＲ）逡逑超声时域反射技术（ＵＴＤＲ）是利用超声信号对不同声阻抗介质所产生的反逡逑射波振幅不同这一性质，来对膜过滤过程中的膜面及污染层物质进行区分，且传逡逑播过程中不同介质间的声阻抗相差越大

逦天津工业大学硕士学位论文逦逡逑过的介质声阻抗就会发生改变，反应在示波器上的反射波振幅也会做出改变。随逡逑着污染层的增厚，其表面信号的回波信号在时间轴上发生了一定的偏移，实验根逡逑据其发生偏移的时间差及超声波的在介质中传播的声速，计算得到了膜过滤过程逡逑中污染层的实时厚度变化。这项研究表明，超声时域反射技术是非常优秀的无损逡逑在线监测技术。逡逑１．３．６Ｚｅｔａ电位技术逡逑Ｚｅｔａ电位指胶体双电层理论中，扩散层与固定层交界面，即滑动面处的电位。逡逑实验中Ｚｅｔａ电位难以直接测量，主要通过对流动电势的在线监测来间接计算出逡逑Ｚｅｔａ电位的变化。Ｚｅｔａ电位可以表征膜面及膜孔的动电特性，膜过滤过程中，随逡逑着膜逐渐被污染，膜表面荷电性能随即改变，以此为基础来用Ｚｅｔａ电位表征膜逡逑过滤过程中膜性能的变化。Ｃｈｕｎ等人ｗ在对中空纤维膜过滤胶体悬浮液过程中逡逑５０邋逦－１逡逑

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本文编号：2823441