金属离子抑制超滤浓缩藻酸盐膜污染实验研究

发布时间：2020-11-19 00:03

　　 从好氧颗粒污泥(Aerobic granular sludge,AGS)中回收藻酸盐已成为污水处理资源化新兴研究方向。藻酸盐是一种特殊的胞外聚合物(Extracellular polymer substances,EPS),占AGS干重可达25%。高附加值藻酸盐回收不仅可实现污泥减量,而且可以提高污泥浓缩脱水性能。但是,藻酸盐回收液含水率接近100%,进一步对其脱水浓缩成为亟待解决的问题。常规浓缩方法不仅过多消耗化学药品,而且还会造成二次污染。相反,超滤(Ultrafiltration,UF)浓缩有可能避免这些缺陷。膜污染是超滤浓缩应用之瓶颈。基于前期高价金属离子削减膜污染研究结果,本研究进一步探究投加金属离子减轻膜污染的作用与机理,同时解析所回收的藻酸盐特性。基于4种典型高价金属离子Ca~(2+)、Mg~(2+)、Fe~(3+)、Al~(3+)单一或组合形式,详细探究金属离子与藻酸钠(Sodium alginate,SA)作用机制以及膜污染减轻行为。实验显示,投加不同浓度Ca~(2+)后,过滤阻抗按照1.75 M(2.8 mL)1 M(5 mL)0.5 M(10 mL)顺序递减。高浓度Ca~(2+)液滴中有一部分被包裹在包囊膜内没有得到有效利用,致使过滤阻抗变大。不同流速条件下过滤阻抗依据5 mL/min15 mL/min25mL/min顺序减小;流速大时单位时间内泵入Ca~(2+)含量更多,初期可形成较多藻酸钙,因而产生较低的过滤阻抗。SA与单一金属离子投加顺序差异造成不同过滤行为,其原因为生成了不同结构的物质。组合金属离子作用下,与SA作用更完全,可有效缓解SA膜污染,过滤阻抗递减顺序为Ca~(2+)→Fe~(3+)(先加Ca~(2+)后加Fe~(3+))Fe~(3+)→Ca~(2+)(先加Fe~(3+)后加Ca~(2+))Fe~(3+)+Ca~(2+)(Fe~(3+)与Ca~(2+)混合投加)。SA分子量越低、浓度越小,其过滤阻抗越小。采用光学显微镜、动态光散射、X射线光电子能谱和扫描电子显微镜研究了回收藻酸盐的材料性能。分析表明,添加金属离子不仅可以减轻膜污染,而且还使回收产物具有更高附加值。高价金属离子作用下,可以促进藻酸盐脱水,降低滤饼含水率;形成的藻酸盐微观结构差异较大,使SA链状结构发生改变、絮凝体变大;藻酸盐粒径大小递减顺序为Al-SAFe-SACa-SAMg-SA;添加金属离子后所形成的滤饼层会产生更多孔隙,孔隙率排列顺序为Ca+Fe-SAFe-SACa-SASA,而且膜表面附近有剥离现象发生。研究结果可为好氧颗粒污泥藻酸盐回收后超滤浓缩提供新思路,特别是金属离子引入藻酸盐回收过程有望为开发新型藻酸盐纳米材料提供一种新方法。
【学位单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：X703
【部分图文】：

第1章绪论2盐纳米材料提供了理论基矗1.2藻酸盐的性质与来源1.2.1性质藻酸钠（Sodiumalginate，SA）（（C6H7O6Na)n）是藻酸盐应用最广的一种形式，由β-D-甘露糖醛酸残基（β-D-mannuronicacid，记为M）与其同分异构体，α-L-古罗糖醛酸残基（α-L-guluronicacid，记为G），通过α（1→4）糖苷键连接而成的线型嵌段共聚物。SA分子以甘露糖醛酸钠盐残基组成的MM区、古罗糖醛酸钠盐残基组成的GG区以及由两类残基交替变化的MG区构成。这三种区段在藻酸盐中的比例、数量和排列顺序可能存在很大的差异，并决定其化学结构和性能[12-14]。藻酸盐是一种带负电荷的高分子聚合物，在二价阳离子存在的情况下，藻酸盐具有从粘性溶液逐渐形成凝胶状结构的独特性能。藻酸盐与二价金属离子的相互作用具有一定的选择性，结合顺序依次为：Mg2+<<Mn2+<Ca2+<Sr2+<Ba2+<Cu2+<Pb2+[15]。藻酸盐与金属离子的结合能力与藻酸盐的结构组成密切相关，随着G残基增多，藻酸盐与金属的结合能力变强，如，与二价金属离子的结合形成凝胶能力依次为：MM区<MG区<GG区[15,16]。图1-1藻酸盐化学结构[15]：Figure1-1Alginatechemicalstructure(a)β-D-mannuronicacid(M)sodiumsaltandα-L-guluronicacid(G)sodiumsalt,(b)TheblockcompositionofalginatewithG-blocks,M-blocks,andMG-block.

第1章绪论4图1-2海藻中提取藻酸盐的典型工艺流程图[17]Figure1-2Typicalprocessforextractingalginatefromseaweed1.3膜污染控制策略1.3.1膜污染研究趋势近年来，膜技术在污水处理、浓缩高分子物质等领域应用越来越广泛，但膜污染问题不容忽视，各种膜分离过程中都面临高分子物质膜污染，会造成膜通量下降、分离效果变差、增加运行和维护费用，成为制约膜技术应用的瓶颈[30-32]。各种膜分离过程中都面临高分子物质膜污染，多糖类物质被认为是工业过滤过程中主要的污染成分。分别对知网和WebofScience数据库进行文献计量，从膜污染相关研究年度发文量、发文国家和地区、研究方向等方面分析膜污染问题的研究进展。以“膜污染”为关键词检索知网数据库共有文献7012篇，应用MicrosoftExcel2019软件对相关数据进行处理。图1-3为1983-2019年知网数据库中有关膜污染研究的发文量，由图可看出1983-1999年间，每年总计发文量从1篇增至40篇，增长趋势较缓，而2000-2019年间，年度发文量从59篇增至603篇，增长速度突飞猛进，膜污染问题自2000年之后引起高度重视。再依据膜种类不同进行检索发现，关于膜生物反应器（MBR）有1622篇，超滤膜357篇，反渗透膜138篇，纳滤膜132篇。超滤膜因装置简单，操

第1章绪论6图1-41996-2019膜污染相关研究发文量（WebofScience）Figure1-4Numberofpublishedpapersreferringtomembranefoulingfrom1996to2019(WebofScience)对WebofScience收录的14064篇文献统计1996-2019年间各国家/地区发文总量，按所占百分比进行排名，结果如图1-5所示。从图中可看出，中国的发文量高达3775篇，占全球的26.84%，居世界第一。美国（2399，17.06%）、韩国（1122，7.98%）、澳大利亚（1065，7.57%）、法国（806，5.73%）等国紧随其后。各国家/地区在膜污染领域的发文量可以表明该国家/地区的膜技术发展情况以及对膜污染问题的重视程度，由此可见中国对膜污染问题高度重视，在膜污染领域的独立研究能力最强。图1-51996-2019年发文量前15位国家Figure1-5Top15mostproductivecountriesduring1996to2019对知网数据库检索出的7102篇文献依据膜污染研究方向进行精确检索，图1-6是收录在知网中的文献关于膜污染研究方向的分布图，从图中可看出膜污染的研究多是探究絮体粒径（61.57%）和膜通量（13.5%），作为减轻膜污染的主要手段之一的膜清洗研
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本文编号：2889398