基于膜结构特征和水中有机物性状的超滤膜污染模型的建立及评价研究

发布时间：2020-09-12 09:38

　　本文以超滤膜的膜孔密度和膜孔径等作为膜结构参数，采用场发射扫描电镜(FESEM)对膜结构参数进行了测定，建立了超滤水处理过程中反映膜结构参数变化的膜结构参数模型，主要以二级处理水为原水，对臭氧氧化、混凝、粉末活性炭(PAC)吸附等不同预处理方法、水质环境条件、膜材料性质、不同操作条件及运行模式(恒流或恒压)等对超滤水处理过程的影响进行了深入系统的研究，并用建立的模型对膜结构参数的变化特征进行了评价。主要成果如下： (1)用场发射扫描电镜和专业图像分析处理软件对超滤膜进行了处理分析，统计得出了超滤膜的膜孔密度、平均膜孔径、膜面孔隙率等膜结构参数。 (2)根据流体力学基本原理，以膜孔密度和平均膜孔径作为膜结构参数，分别针对恒压和恒流过滤模式，引入膜孔径变化系数α_1和膜孔密度变化系数α_2两个评价因子，建立了评价超滤水处理过程的膜结构参数模型。模型表达式为： (3)通过试验数据对所建立的超滤膜结构参数模型进行了拟合，结果显示，该模型能较好地模拟超滤水处理过程。通过模型参数α_1和α_2可以评价超滤水质净化过程中，水中有机物是以膜孔内吸附、还是以膜表面膜孔堵塞为主导，主要是受水中有机物分子量大小及分布、有机物亲疏水性、离子强度等哪一种水质性状的影响较大。这就为结合膜结构特性和原水性状两个方面评价超滤膜污染过程提供了方法。 (4)试验通过臭氧预处理来改变二级处理水中有机物的分子量分布，并采用PVDF-300平板超滤膜对不同有机物分子量分布的二级处理水进行了超滤试验，研究发现水中有机物分子量分布与超滤过程中膜的各部分阻力之间大致有如下关系：①1／3＞d／φ＞2／15(d为水中有机物分子尺寸，φ为膜孔直径)的有机物易在膜孔内表面产生吸附，而d／φ＜2／15时，有机物则易透过膜孔；②1＞d／φ＞1／3的有机物主要形成膜表面和膜孔内的堵塞，5／3＞d／φ＞1的有机物主要形成膜表面的堵孔；③d／φ＞1特别是d／φ＞5／3的有机物(包括溶解态和颗粒态)则是形成膜表面滤饼的主体。同时，试验也发现，在几种超滤膜阻力中，堵孔阻力对膜污染阻力的影响较大，当臭氧接触1min时，可以显著降低膜的堵孔阻力，从而有效减缓膜的污染。 (5)分别采用混凝、粉末活性炭(PAC)吸附、臭氧—PAC联用等方法对二级处理水进行了预处理，考察了不同预处理方法对超滤膜过滤性能的影响：①结合膜结构参数模型，发现二级处理水超滤过程中，a_1和a_2均较大，说明膜平均孔径和膜孔密度均下降得较快，即二级处理水中含有大、小分子量的物质较多；②混凝处理后，a_1变化不大，a_2变小，说明膜平均孔径减小较快，膜孔密度的减小平缓，即混凝对高分子物质有一定量的去除，而对小分子物质去除较少；③经粉末活性炭(PAC)和臭氧—PAC联用处理后，由于PAC对低分子物质的吸附，使得膜平均孔径的变化得到了缓解，臭氧氧化使二级处理水中大分子量有机物有所减少，膜孔密度的减小变得更加平缓。 (6)二级处理水中亲水性和疏水性有机物的分子量分布较相似，主要是分子量小于2kDa的小分子有机物含量较多。通过含三种不同性状的有机物水样的超滤试验，发现二级处理水中亲水性有机物是引起膜污染的主要物质。同时，二级处理水中离子强度越大，膜通量的衰减越快，其衰减程度随着离子强度的增加而增加。 (7)采用6种材质的超滤膜对二级处理水进行了过滤试验，研究了不同膜材料性质对超滤性能的影响。研究发现，膜的孔径分布越宽、孔形越规则越易发生膜孔堵塞污染，造成膜孔密度下降，其过滤初期通量衰减会越快；膜过滤层越厚、孔形越不规则越易发生膜孔内部污染，造成膜孔孔径窄化，在过滤末期通量衰减较快。 (8)针对超滤水处理过程的膜污染特性，发现对原水进行适当的预处理，改变水中有机物的分子量分布等性状，同时采用低压恒流过滤模式，并辅之以相应的反冲洗和表面快洗相结合的清洗方式等措施可以有效控制膜污染、减缓膜通量衰减，提高膜的过滤性能，延长膜的使用寿命。
【学位单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2007
【中图分类】：X703
【部分图文】：

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图2.2PVDF一300膜SEM图片(X15k)图2.3经图像处理后的PVDF一300膜SEM图片(x15k)Fig.2.2OriginalSEM加ageonFig·2·3TreatedSEM汕ageonPVDF一300(at15kx)PVDF一300(at15kx)(2)渗透率法测定膜孔径

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每个样随机选取10一12张电镜图片，共得到300多张图片。图2.2即是试验所得的一张SEM电镜图片。所得电镜图片经专业图象分析软件进行两色处理I9]，使得图片上只有黑白两色，如图2.3所示为图2.2经两色处理后的图片。在图2.3中，黑色代表膜孔，白色代表膜面。为了研究的方便，我们假定每个膜孔均为独立的圆形孔。然后采用专业图象处理分析软件进行分析，分别获得膜孔

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图2.4PVDF一300膜SEM图片(x30k)图2.5经图像处理后的SEM图片(X30PVDF一300膜Fig，2.4OriginalSEMimageonFig.2.5[图片(X30k)肠e雍dSEMimageonPVDF一300(at3Okx)PVDF一300(at30k又)图2.6是用场发射扫描电镜获得的一张电镜图片，图2.7是图2.6经图像处理后

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