压力延迟渗透过程水通量的模型与验证

近年来,盐差能作为一种来源广泛、储量可观的绿色可再生能源受到广泛关注。其中,压力延迟渗透(pressure retarded osmosis,PRO)是一种基于渗透过程的极具前景的盐差能利用技术。压力延迟渗透过程中的水通量与最终的能量产出密切相关,因此建立水通量模型对该过程的机理研究、系统设计都具有重要意义。初步建立了在考虑浓差极化和反向盐渗透影响时,压力延迟渗透过程的水通量模型,并使用不同浓度Na Cl汲取液(0.5、1和2 mol·L~(-1))进行了实验实证。模型在低渗透压汲取液条件下拟合良好。此外,为了进一步提高拟合精度,从模型推导和实验测定2个方面分别讨论了可能的提高途径。     

基于乙酸根离子的有机化肥作为正渗透膜反应器的汲取液缓解反应器中的盐积累

为解决正渗透膜反应器中盐积累的问题,选取乙酸铵(NH_4C_2H_3O_2)、乙酸钠(NaC_2H_3O_2)和乙酸钾(KC_2H_3O_2) 3种基于乙酸根离子的有机化肥作为正渗透膜反应器的汲取液,并将其与硫酸铵((NH_4)_2SO_4)、氯化钠(NaCl)和氯化钾(KCl) 3种其对应无机离子汲取液的正渗透(FO)工艺性能和正渗透膜生物反应器(OMBR)工艺性能进行比较。通过工艺水通量和盐含量的测定,生物反应器内COD、铵态氮和硝态氮含量的测定,污染后膜表面的SEM分析,评价了基于乙酸根离子的有机化肥作为正渗透膜反应器的汲取液对反应器内盐积累和膜污染的影响。结果表明:在FO工艺中,乙酸铵、乙酸钠和乙酸钾在0.6 mol·L~(-1)浓度下的平均水通量分别为10.30、11.07和12.73 L·(m~2·h)~(-1),低于其对应的无机离子汲取液的水通量;在OMBR工艺中,乙酸铵、乙酸钠和乙酸钾有机化肥作为汲取液可以显著减缓反应器内盐度的积累。此外,当基于乙酸根离子的有机化肥作为正渗透膜反应器的汲取液时,生物反应器中微生物的生物活性更高,虽然这更容易造成膜污染,但可以有效地去除有机物和氮磷营养物质。研究可为正渗透生物反应器的实际应用提供参考。     

温度对正渗透工艺性能的影响

正渗透技术是一种以渗透压差为驱动力的新型膜分离工艺。温度是影响正渗透过程的关键因素。为考察温度在工艺运行中的重要作用,研究了温度对正渗透膜特性及工艺性能的影响,探讨通量衰减机制。结果表明,温度影响汲取液动态稀释、浓差极化和膜污染等的效应程度,进而影响正渗透性能。高温能够明显增加水通量和回收率,且汲取液温度影响比原料液显著。因此,合理优化温度条件是降低能耗提高正渗透性能的有效途径。     

正渗透膜过滤特性及污染物截留性能

采用Na Cl为汲取液溶质,研究正渗透膜分离过程中膜朝向、汲取液溶质浓度和错流速率对膜过滤性能的影响,以及正渗透膜对Na Cl、生活污水和垃圾渗滤液的污染物截留性能。结果表明,活性层朝向汲取液(AL-DS)时水通量(Jw)明显大于活性层朝向原料液(AL-FS)时,但随时间下降较快;Jw和溶质反向扩散通量(Js)均与汲取液溶质浓度正相关,但非线性增加,原因与内浓差极化有关;Jw同样与错流速率正相关,但随错流速率增加不明显。以葡萄糖为汲取液溶质时,正渗透膜对Na Cl的截留率能够达到90%以上。相同汲取液浓度下,处理生活污水时的Jw略大于垃圾渗滤液。正渗透膜对2种废水的污染物截留效果均较好。处理生活污水时,总有机碳和总氮的平均截留率分别为82%和90%以上;处理垃圾渗滤液时则分别能达到77%和95%以上。正渗透膜对渗滤液中的二价离子(钙、镁)的截留率达到98%以上。     

混合无机盐汲取液在城市污水正渗透浓缩技术中的应用

为实现浓缩城市污水以提高其资源化价值,构建了正渗透膜污水浓缩系统,研究了其对南方低浓度城市污水的有机污染物浓缩效果和膜污染特性。结果表明:使用含有1.6 mol·L~(-1) MgCl_2和2.4 mol·L~(-1) NaCl混合汲取液浓缩城市污水时,正渗透膜的水通量可达到27 L·(m~2·h)~(-1);南方城市污水浓缩6倍以上可满足后续资源化处理要求,浓缩后的TOC、COD、总磷、氨氮的平均回收率分别达到96.3%,95.72%,99%和90.4%;浓缩过程中膜污染较轻,采用化学清洗,水通量恢复率较物理清洗更高。以上结果为正渗透浓缩城市污水中混合无机盐汲取液的研究提供参考。     

正渗透复合膜的制备及表征

通过在聚砜铸膜液中加入混合添加剂氯化锂和聚乙烯吡咯烷酮(PVP),用相转移法制备出多孔支撑层,然后通过界面聚合制备聚酰胺正渗透复合膜,重点研究了添加剂和聚砜浓度对膜结构和性能的影响。结果表明,氯化锂使得膜支撑层指状孔更加均一,提高孔隙率,并降低海绵层的厚度,提高了水通量;PVP增强了膜的亲水性,并易于成膜,在保持截盐率的同时提高了水通量;随着聚砜浓度增大,支撑层孔隙率变小,海绵状孔层变厚,生成的聚酰胺层更加致密,加重过程内浓差极化,水通量降低。采用质量分数为9%聚砜同时添加氯化锂和PVP的膜支撑层结构均一,孔隙率较大(68.0%),表面亲水性较强(接触角48.5°),优于2种商用三醋酸纤维素正渗透膜的孔隙率(32.6%和25.4%)和接触角(76.5°和73.5°);在正渗透过程中的自制膜水通量为21.9 L/(m2·h),均高于2种商用三醋酸纤维素正渗透膜(9.5和14.4 L/(m2·h))和文献报道的正渗透复合膜通量水平,并维持了一定的截盐率(盐通量为19.9 g/(m2·h)),表现出优异的正渗透性能。     

3种正渗透膜对水中卡马西平的截留

采用3种商业正渗透膜对污水中的卡马西平进行截留,研究了膜活性层朝向、汲取液浓度、流速和汲取液溶质对卡马西平截留效果的影响。结果表明,活性层朝原料液的正渗透(FO)模式对卡马西平的截留效果要优于活性层朝向汲取液的模式。3种膜对卡马西平的截留率随着汲取液浓度的升高有所提高,但高浓度的汲取液时增幅并不显著且会引起严重的盐返混。NaCl是截留卡马西平最适合的汲取液溶质,对卡马西平的截留率随着水通量增加而增加,但是过高的盐返混可能导致卡马西平截留率的下降。醋酸纤维素聚酯网膜是所选3种膜中对卡马西平的截留率较高的膜。这些实验结果可为FO应用于卡马西平废水的处理提供参数。     

Fe3O4纳米磁性微粒对全氟辛烷磺酸盐的吸附

采用共沉淀法合成Fe3O4纳米磁性颗粒,用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)以及振动样品磁强计(VSM)对Fe3O4纳米磁性颗粒的粒径、形貌和磁性进行表征并研究Fe3O4纳米磁性微粒对全氟辛磺酸盐的吸附。结果表明:在PFOS初始浓度4 mg/L,pH为3,反应时间24 h,Fe3O4纳米磁性微粒投加量1.25 g/L,对全氟辛磺酸盐去除率达到90%。Fe3O4纳米磁性微粒对PFOS的吸附符合Freundlich吸附方程。     

混凝对正渗透过程中抗生素去除特性及膜污染的影响

为探明混凝预处理对正渗透去除抗生素的影响以及混凝对后续膜处理的影响,选用PAC、FeCl_3、Al_2(SO_4)_3对正渗透原料液进行混凝预处理,考察了混凝预处理对正渗透水通量、NaCl返混通量、抗生素截留率及膜污染的影响。结果表明:混凝预处理对正渗透过程中膜污染程度的影响由原料液中HA残留量以及Zeta电位共同决定;经混凝预处理后,原料液中腐殖酸残留量越多,正渗透过程中所形成的滤饼层越厚,原料液Zeta电位绝对值越低,形成的滤饼层越密实。滤饼层的形态影响正渗透的浓差极化作用,进而影响正渗透的运行特性及抗生素的截留效果,同时决定了膜清洗的难易程度。     

正渗透中驱动溶质反渗模型的建立与实验验证

<正>渗透过程能够有效运行的一个前提条件是要求驱动溶质反向扩散的通量非常小。为了深入了解正渗透过程中驱动溶质反渗对膜分离过程的影响,以现有的浓差极化模型为基础,建立正渗透过程不同操作模式下驱动溶质的反渗通量以及膜通量的数学模型。为证明模型的准确性,以Na Cl为驱动液做一组序批式实验,测出不同初始渗透压下的水通量和反渗通量,将实验值与模型预测值比较,发现模型的预测结果与实验结果高度吻合。     

Fe3O4纳米磁性微粒对全氟辛烷磺酸盐的吸附

采用共沉淀法合成Fe3O4纳米磁性颗粒,用透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）以及振动样品磁强计（VSM）对Fe3O4纳米磁性颗粒的粒径、形貌和磁性进行表征并研究Fe3O4纳米磁性微粒对全氟辛磺酸盐的吸附。结果表明：在PFOS初始浓度4 mg/L,pH为3,反应时间24 h,Fe3O4纳米磁性微粒投加量1.25 g/L,对全氟辛磺酸盐去除率达到90%。Fe3O4纳米磁性微粒对PFOS的吸附符合Freundlich吸附方程。     

Fe3O4/SDS磁性纳米颗粒吸附水体中的Cd2+和Zn2+

一种新型纳米固相萃取吸附剂,由阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)包裹在Fe3O4磁性纳米颗粒表面形成,用于吸附水溶液中的重金属离子。研究了吸附过程的主要影响因素(如SDS浓度、溶液pH等)以及解吸过程的最佳条件,并对其机理进行了初步的探讨。研究结果表明,共沉淀法制备的Fe3O4颗粒粒径分布均匀,平均粒径约为54 nm;SDS浓度为300 mg/L时,Fe3O4/SDS磁性纳米颗粒吸附Cd2+和Zn2+的能力最强;在一定浓度范围内,Fe3O4/SDS体系对Cd2+和Zn2+的吸附平衡数据符合Langmuir吸附等温方程,饱和吸附量分别为22.42 mg/g和13.95 mg/g。最终结果表明,Fe3O4/SDS磁性纳米颗粒具有较强磁分离能力和较好的吸附效果。     

减压膜蒸馏法处理石煤提钒废水

利用减压膜蒸馏设备处理石煤提钒废水，分别比较了废水经预处理前后，料液温度、流量、渗透侧真空度等操作条件对膜通量和截留率的影响。测定了不同浓缩倍数情况下膜通量的变化。实验表明，进料温度升高会使膜通量增加，温度为65℃时，热效率最高为70．1％。提高料液流量或真空度都会使膜通量增加。废水经VMD处理产出的淡水电导率均在10μS／cm以下，脱盐率可达99．98％以上。在温度为70％、流量为60L／h、真空度为0．095MPa时，石煤提钒废水经预处理后的废水膜通量为11．359kg／（m^2·h），浓缩10倍时，膜通量仍有3．185kg／（m^2·h）。     

Fe3O4／Ag磁性纳米颗粒去除水中的铅离子

采用水相共沉淀法制备小尺寸磁性Fe3O4纳米颗粒，以没食子酸作为还原剂和表面修饰剂，还原Ag[（NH3）2]’制备出Fe3O4／Ag磁性纳米颗粒。研究该磁性纳米颗粒对水溶液中铅离子的吸附行为，研究结果表明，pH为7．0，吸附温度30℃时可得到最好的处理效果，铅的去除率可达99．7％以上，Fe3O4／Ag颗粒吸附行为符合二级动力学模型（R2〉0．99）。该磁性纳米颗粒经过多次再生处理后，仍具有很好的吸附效果，表明Fe3O4／Ag在水处理方面拥有良好的应用前景。     

基于海水和盐田水的正渗透驱动液

采用海水和盐田水作为驱动液,研究正渗透过程中的通量变化和膜污染特征,探索其作为驱动液的可行性。结果表明,海水和盐田水含有大量的盐离子,具有高的渗透压,海水、2#、5#和9#盐田水与0.42、0.8、2.2和4.2 mol/L的氯化钠具有同样的通量行为。随海水和盐田水浓度增加,通量增加,同时污染也越严重。扫描电子显微镜观察和荧光光谱分析发现,盐田水中的硅酸盐和有机物会沉积在膜表面,引起比较严重的膜污染,尤其是高浓度的盐田水。海水和盐田水作为正渗透过程中的驱动液需要进行一定的预处理。     

硫化锰纳米颗粒高效去除重金属镉

中国镉污染问题日益严峻,开发高效的镉吸附剂,是解决环境镉污染问题的重要技术手段。采用共沉淀方法合成了硫化锰纳米颗粒,研究了其对重金属镉的吸附行为,并采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、高分辨透射电镜(HR-TEM)、比表面积(BET)等技术手段探究了硫化锰纳米颗粒的形貌、化学组分以及镉的去除机制。结果表明,MnS纳米颗粒呈球状,平均粒径100 nm,比表面积30.56 m~2·g~(-1)。MnS纳米颗粒对Cd~(2+)的吸附动力学数据较好地符合伪二级动力学模型;吸附等温线数据较好地符合Langmuir模型,说明MnS对Cd2+的吸附是以化学吸附为主的单分子层吸附。使用Langmuir拟合的MnS饱和最大镉吸附量为349.6 mg·g~(-1),在众多镉吸附材料中处于前列。对于模拟工厂重金属废水的处理,MnS纳米颗粒可以在5 h内使镉的浓度由60 mg·L~(-1)降至国家规定排放线以下(0.1 mg·L~(-1)),且吸附过程中水体pH稳定,对水体干扰小。在多种重金属离子共存的情况下,仍可以达到接近100%的Cd~(2+)去除率。硫化锰相对稳定,在空气中放置30 d仍有80%的镉去除率。较高的离子交换量形成CdS沉淀是MnS高效去除镉的主要原因。     

Fe3O4/Ag磁性纳米颗粒去除水中的铅离子

采用水相共沉淀法制备小尺寸磁性Fe₃O₄纳米颗粒,以没食子酸作为还原剂和表面修饰剂,还原Ag[(NH₃)₂]⁺制备出Fe₃O₄/Ag磁性纳米颗粒。研究该磁性纳米颗粒对水溶液中铅离子的吸附行为,研究结果表明,pH为7.0,吸附温度30℃时可得到最好的处理效果,铅的去除率可达99.7%以上,Fe₃O₄/Ag颗粒吸附行为符合二级动力学模型(R² > 0.99)。该磁性纳米颗粒经过多次再生处理后,仍具有很好的吸附效果,表明Fe₃O₄/Ag在水处理方面拥有良好的应用前景。     

多效膜蒸馏技术浓缩回收废水中的二甲基亚砜

利用具有内部潜热回收功能的气隙式多效膜蒸馏(MEMD)组件对含二甲基亚砜(DMSO)的化纤废水进行了浓缩回收研究,考察了料液中DMSO浓度、进料流量、进料温度和膜侧进口温度对膜通量、造水比、分离因子和回收率的影响。结果表明,多效膜蒸馏可以将DMSO废水浓缩至200~300 g/L;初始浓度为6.2 g/L时,造水比和分离因子最高值分别为12.4和76.0;虽然膜通量、造水比和分离因子均随料液浓度增大而下降,但是当DMSO浓度达到200 g/L时,膜通量、造水比、分离因子仍分别高达3.74 L/(m2·h)、7.1、32.1;在整个浓缩过程中,回收率维持在99.6%以上;当DMSO废水浓缩达到150 g/L以上时,含有少量DMSO的渗透液可作为二次料液继续用MEMD过程浓缩。膜组件在连续运行的1个月内保持了良好的操作性能。该实验研究表明,多效膜蒸馏过程可以高效节能地浓缩回收化纤废水中的DMSO。     

膜蒸馏处理页岩气井压裂返排液

页岩气压裂返排液的有效处理是页岩气开发急需解决的关键环保问题之一。针对新页HF-1井页岩气压裂返排液经预氧化结合湿式氧化(PO-WAO)工艺处理的出水COD不达标、含盐量高等技术难题,采用膜蒸馏处理技术对工艺的出水进行深度处理。通过膜蒸馏单因素和正交实验表明料液温度和冷凝温度对膜蒸馏处理效果影响较大,在料液温度、冷凝液温度、真空度、运行时间分别为80℃、8℃、0.090 MPa和60 min的最佳工艺条件下,膜通量可达1.750 L·(m2·h)-1,出水COD浓度为95.8 mg·L~(-1),出水水质可满足《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)中一级排放的要求。膜蒸馏出水中电导率为63μS·cm-1,氯化钠的质量浓度为1.168 0 mg·L~(-1),可有效降低处理后的压裂废液对周围土壤的盐碱化伤害。     

超顺磁性纳米Fe_3O_4的制备及其类Fenton反应性能

以二甘醇/乙二醇醇热法制备了超顺磁性纳米Fe_3O_4,采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线衍射(XRD)以及磁滞回线等手段对制备的纳米Fe_3O_4进行表征,并通过纳米Fe_3O_4/H_2O_2类Fenton反应降解罗丹明B废水考察了纳米Fe_3O_4/H_2O_2的性能及其稳定性。研究表明,制备的纳米Fe_3O_4不仅分散性好、规整球状结构,磁性强且粒径比较均匀,平均粒径约为80 nm;从单因素实验(纳米Fe_3O_4投加量、H_2O_2/Fe_3O_4的摩尔比、pH以及反应时间)与正交实验获得了最佳反应条件:纳米Fe_3O_4投加量为2 g·L~(-1),pH=4,H_2O_2/Fe_3O_4摩尔比为4∶1,反应时间为3 h,此时罗丹明B与TOC去除率分别为100%和35%。重复4次使用纳米Fe_3O_4,通过表征发现纳米Fe_3O_4颗粒的晶体结构不变但是发生了团聚,纳米Fe_3O_4的催化性能有所下降。