改性超滤膜去除水中天然有机物的研究
发布时间：2020-07-18 06:53
【摘要】：天然有机物（Natural Organic Matter，NOM）广泛存在于地表和地下水中，是多种消毒副产物的前驱物。如何有效地去除水中NOM对于提高给水水质、满足日益严格的饮用水标准具有重要意义。超滤（Ultrafiltration，UF）能有效去除水中的悬浮颗粒、胶体杂质、微生物、细菌病毒和一定量的可溶性有机物，是替代传统饮用水处理技术的理想选择，目前正在饮用水处理领域得到广泛应用。然而，由于超滤膜的截留分子量较大，导致它不能有效地去除水中的NOM。同时，膜污染问题是制约其广泛应用的另一个原因。 本研究通过对再生纤维素膜（Regenerated Cellulose，RC）进行荷电改性，比较中性膜和荷电超滤膜对水中NOM的去除率和膜通量的衰减情况。考察膜改性的荷电量、截留分子量、膜材料和NOM的不同组分对荷电超滤过程的影响。此外，还研究了溶液pH值、离子强度和代表水体硬度的钙离子浓度等溶液环境因素对荷电超滤行为的影响。最后进一步比较了荷电超滤膜与纳滤膜对水中NOM的去除效果。 为了获得更加耐用、抗污染的超滤膜，本研究还通过添加聚乙二醇（Polyethylene Glycol，PEG）、氯化锂（LiCl）和二氧化钛（TiO_2）等添加剂，制备并表征了改性后的聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）超滤膜。在死端过滤和错流过滤的实验条件下，研究了不同种类的改性PVDF超滤膜对水中NOM的去除率和膜通量的衰减情况。同时，重点考察了TiO_2改性后的PVDF超滤膜的光催化性能。 研究结果表明，对中性RC膜进行荷电改性，在传统筛分机理和静电相互作用力的共同作用下，可以有效提高截留率，同时减轻膜污染。对比实验结果表明，在去除水中NOM的应用环境中，荷电超滤膜具备替代纳滤膜的技术可行性。膜的截留分子量、改性后的荷电量、膜材料的性质以及NOM组分的亲疏水性对荷电超滤过程有着重要影响。此外，溶液环境因素同样影响荷电超滤膜的性能。尽管溶液环境因素对中性膜和荷电超滤膜的截留率和膜通量衰减的影响幅度不同，但趋势基本一致。水体的pH值通过质子化作用影响NOM分子和荷电膜表面的荷电量。水体的离子强度影响NOM分子的物理化学性质，改变NOM分子的形状以及膜表面的静电屏蔽作用力。代表水体硬度的钙离子浓度影响膜与NOM分子的静电相互作用力的大小以及膜表面滤饼层的致密/疏松程度。所以，在应用超滤膜去除水中天然有机物的过程中，不仅要考察膜本身的性质（如截留分子量、荷电量、膜材料的亲疏水性），还要考虑溶液环境等诸多影响因素，以便在提高截留率的同时，减轻膜污染。 在研究具有光催化性能的TiO_2改性PVDF超滤膜的制备与改性实验中，研究结果表明，将TiO_2纳米颗粒按适当比例添加到PVDF膜中，可以有效提高截留率，同时减轻膜污染。TiO_2纳米颗粒的添加可以改善PVDF膜的亲水性，同时提高截留率。TiO_2改性PVDF膜在光催化条件下还具有良好的自清洁性能。光催化条件下的TiO_2改性PVDF膜在错流过滤实验中，污染物在膜表面的沉积与污染物的光催化降解这两种过程可能会达到一种平衡状态。对于TiO_2光催化膜，UV辐照有望成为一种新的膜清洗方法。与传统的物理化学清洗方法相比，这种新型膜清洗方法具有节能环保、高效彻底以及无二次污染等优点，技术应用前景广阔。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703
【图文】：
图 1-1 腐殖酸的分子结构图[4]Fig. 1-1 Schematic of humic acid model structure（2）富里酸，它既溶于酸性环境，又溶于碱性环境，颜色为浅黄色和浅棕色。富里酸的分子结构与腐殖酸类似，但脂肪族分子结构较多，芳香族分子结构较少。（3）胡敏酸，它既不溶于酸性环境，也不溶于碱性环境，颜色为黑色。腐殖质具有离子交换性，可以与水中其它物质络合，如有机微生物污染物和重金属离子，研究表明，这种络合过程会影响重金属离子对水溶性有机物造成的毒性[9]。Stevenso[10]等人研究了不同种类的阳离子与腐殖质发生分子络合的优先顺序：Fe3+>Al3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+。腐殖质与重金属离子以及有机物之间形成的各种复合体，增加了天然水体中这些物质的生物积累性与持久性。1.2.2 NOM 的危害NOM 不仅会造成异臭味、色度、生物不稳定性以及配水管网的腐蚀，还是
四氢呋喃中浸泡几个月均没有发生异常现象，也不溶于氯于碱性溶液[25]。在干态或有机溶剂中，再生纤维素还具度（240~260℃），当温度超过 240℃ 时发生热分解。维素相比于其它合成聚合物的一个显著优点是对生物体没好，能够广泛用于医药和食品等领域。早期主要应用于血工胰脏等生化和医疗领域。随着大孔径 RC 膜的发展，再 MF、UF 和 RO 等浓缩、分离和纯化领域。纤维素作为 R自然界中有很大的储备量，而且可进行生物降解，不会对膜工业在发展过程中若能合理利用这种丰富的自然资源，义。实验中还选用由生产商提供的商用荷负电聚醚砜膜（PES验研究。PES 是一种耐高温的工程塑料，其分子结构如图
上海交通大学博士学位论文 第一章 绪论11可以吸附溶液中的一些异性离子，使其紧贴在膜表面，形成一个吸附层（见图1-3中的Stern层），同时从吸附层到液体的内部又形成一个扩散层，电解质溶液与带电膜表面相对移动时，在吸附层与扩散层之间会形成一个剪切面，溶液体相与剪切面的电位差即为Zeta电位。图 1-3 正电膜表面离子分布示意图[31]Fig. 1-3 Schematic representation of ion distribution near the positively chargedmembrane surfaceZeta电位无法直接测量，但可以用电渗、电泳或流动电位来间接测量。其中，流动电位是最常用的间接测量方法。将流动电位与膜厚度、膜表面电阻率、膜孔隙率等数据关联后即可得到Zeta电位值。当双电层厚度远小于膜孔径时，可用Helmholtz-Smoluchowski 方程式来直接进行计算[32]。对于非对称的荷电膜，在一定假设的基础上可对膜结构进行简化，然后再用流动电位的测量方法计算Zeta电位。计算出Zeta电位以后，结合膜孔径和孔隙率等数据，可以得到膜孔表面和膜外表面的电荷密度的近似值。（3）膜电位在不加外压的条件下
本文编号：2760568
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703
【图文】：
图 1-1 腐殖酸的分子结构图[4]Fig. 1-1 Schematic of humic acid model structure（2）富里酸，它既溶于酸性环境，又溶于碱性环境，颜色为浅黄色和浅棕色。富里酸的分子结构与腐殖酸类似，但脂肪族分子结构较多，芳香族分子结构较少。（3）胡敏酸，它既不溶于酸性环境，也不溶于碱性环境，颜色为黑色。腐殖质具有离子交换性，可以与水中其它物质络合，如有机微生物污染物和重金属离子，研究表明，这种络合过程会影响重金属离子对水溶性有机物造成的毒性[9]。Stevenso[10]等人研究了不同种类的阳离子与腐殖质发生分子络合的优先顺序：Fe3+>Al3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+。腐殖质与重金属离子以及有机物之间形成的各种复合体，增加了天然水体中这些物质的生物积累性与持久性。1.2.2 NOM 的危害NOM 不仅会造成异臭味、色度、生物不稳定性以及配水管网的腐蚀，还是
四氢呋喃中浸泡几个月均没有发生异常现象，也不溶于氯于碱性溶液[25]。在干态或有机溶剂中，再生纤维素还具度（240~260℃），当温度超过 240℃ 时发生热分解。维素相比于其它合成聚合物的一个显著优点是对生物体没好，能够广泛用于医药和食品等领域。早期主要应用于血工胰脏等生化和医疗领域。随着大孔径 RC 膜的发展，再 MF、UF 和 RO 等浓缩、分离和纯化领域。纤维素作为 R自然界中有很大的储备量，而且可进行生物降解，不会对膜工业在发展过程中若能合理利用这种丰富的自然资源，义。实验中还选用由生产商提供的商用荷负电聚醚砜膜（PES验研究。PES 是一种耐高温的工程塑料，其分子结构如图
上海交通大学博士学位论文 第一章 绪论11可以吸附溶液中的一些异性离子，使其紧贴在膜表面，形成一个吸附层（见图1-3中的Stern层），同时从吸附层到液体的内部又形成一个扩散层，电解质溶液与带电膜表面相对移动时，在吸附层与扩散层之间会形成一个剪切面，溶液体相与剪切面的电位差即为Zeta电位。图 1-3 正电膜表面离子分布示意图[31]Fig. 1-3 Schematic representation of ion distribution near the positively chargedmembrane surfaceZeta电位无法直接测量，但可以用电渗、电泳或流动电位来间接测量。其中，流动电位是最常用的间接测量方法。将流动电位与膜厚度、膜表面电阻率、膜孔隙率等数据关联后即可得到Zeta电位值。当双电层厚度远小于膜孔径时，可用Helmholtz-Smoluchowski 方程式来直接进行计算[32]。对于非对称的荷电膜，在一定假设的基础上可对膜结构进行简化，然后再用流动电位的测量方法计算Zeta电位。计算出Zeta电位以后，结合膜孔径和孔隙率等数据，可以得到膜孔表面和膜外表面的电荷密度的近似值。（3）膜电位在不加外压的条件下
【引证文献】
相关硕士学位论文 前1条
1 赵玲;带间隔臂的荷负电超滤膜对水中天然有机物去除的研究[D];上海交通大学;2013年
本文编号：2760568
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