XDLVO理论解析不同离子条件下海藻酸钠微滤膜污染

应用extended Derjaguin-Laudau-Verwey-Overbeek(XDLVO)理论定量解析海藻酸钠微滤膜污染中界面微距作用力,探讨不同离子条件对膜污染影响的主控机制.结果表明,对于亲水性膜表面,范德华力促进膜污染,极性作用力阻碍膜污染;而对于疏水性膜表面,范德华力减缓膜污染,极性作用力加速膜污染.海藻酸钠与微滤膜接触时双电层作用力对膜污染贡献相对微弱.离子强度及钙离子对海藻酸钠微滤膜污染的影响主要是通过改变极性作用力来实现的.较高的离子强度会降低极性作用力的排斥性或升高极性作用力的吸引性,从而加重海藻酸钠微滤膜污染.虽然钙离子使出水通量急速下降,但钙离子的存在使得物理清洗效率提高.不同离子条件下初始阶段及后期阶段污染趋势K分别与膜-海藻酸钠粘附自由能及海藻酸钠-海藻酸钠粘聚自由能具有良好的线性相关性,表明XDLVO理论适用于描述不同离子条件下海藻酸钠微滤膜污染行为.     

不同pH值下腐殖酸反渗透膜污染中的界面相互作用解析

应用extended derjaguin-landau-verwey-overbeek (扩展DLVO) 理论评价不同pH值下范德华力、静电力、疏水性力3种界面相互作用对腐殖酸反渗透(reverse osmosis, RO)膜污染的贡献,探究pH值影响腐殖酸RO膜污染的主控机制.对3种常规RO膜的理论分析结果表明,静电力对腐殖酸RO膜污染的贡献很小,范德华力使膜污染加剧;疏水性力会减缓膜污染.与前期粘附阶段相比,后期粘聚阶段中范德华力的贡献有所增大,疏水性力在2个污染阶段中均起主导作用.膜污染随pH值的降低而加重,疏水性力作用能的改变是pH值影响系统界面自由能的主控机制.相应pH值下3种RO膜过滤实验数据及其相关性分析结果表明,扩展DLVO理论能定量评价3种界面相互作用的贡献,界面自由能和膜污染之间有很好的相关关系,RO膜纯水接触角的数值不宜作为评价膜污染的指标.     

XDLVO理论解析钙离子对腐殖酸反渗透膜污染的影响机制

以XDLVO（extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek）理论定量解析腐殖酸反渗透（reverse osmosis,RO）膜污染过程中的界面相互作用,分析3种界面相互作用力在膜污染过程中的贡献,重点探究不同溶液pH条件下Ca2＋对腐殖酸RO膜污染的影响.结果表明,无论Ca2＋是否存在,对膜污染起促进作用的范德华力在pH 3时为主导作用力,而减缓膜污染的极性作用力在pH 7及pH 10时成为主控因素.静电力在所有测试条件下作用微弱,因此对膜污染贡献很小.Ca2＋主要通过改变极性作用力影响腐殖酸RO膜污染行为,且其影响随溶液pH值的降低而凸显,多数情况下Ca2＋会促进腐殖酸RO膜污染.界面自由能与膜污染程度相关性分析表明,XDLVO理论可以合理预测不同溶液条件下腐殖酸RO膜污染行为.     

XDLVO理论解析有机物和钙离子对纳滤膜生物污染的影响

为了揭示有机物和Ca2+浓度对纳滤膜生物污染的影响机制,选用铜绿假单胞菌(PA)为模式菌株,海藻酸钠(SA)、牛血清白蛋白(BSA)和腐殖酸(HA)为典型废水有机物,采用extended derjaguin–landau–verwey–overbeek(XDLVO)理论定量解析了不同进水条件下膜预处理和生物污染过程的界面相互作用.结果表明,Ca2+浓度为5mmol/L时,SA预处理后膜面亲水性最强,粘聚自由能高达42.96mJ/m2,与PA、SA的界面自由能最高,分别为45.85和39.64mJ/m2,抑制膜的生物污染.而Ca2+浓度为2mmol/L时,BSA预处理后膜面疏水性最强,粘聚自由能低至–40.32mJ/m2,与PA、BSA的界面自由能最低,分别为3.49和–26.36mJ/m2,促进膜的生物污染.所有污染过程中,范德华作用能差异较小,而静电作用能绝对值极小,贡献微弱,有机物和Ca2+浓度对膜生物污染的影响主要体现在对疏水作用能的影响.     

蛋白质对PVDF超滤膜污染行为的界面微观作用力解析

采用原子力显微镜,结合自制微颗粒探针,对膜-污染物及污染物-污染物间微观作用力进行了检测分析,考察了不同p H条件下牛血清蛋白(BSA)在不同界面特性PVDF超滤膜上的膜污染行为.结果表明,在膜过滤初期,通量剧烈衰减主要由BSA和膜之间黏附力作用导致,在膜过滤后期,BSA与BSA之间的黏聚作用则是影响后期膜污染行为的主要因素;PA膜-BSA和PP膜-BSA之间的黏附作用力均大于BSA-BSA之间的黏聚作用力,说明在整个膜过滤过程中,BSA与PVDF超滤膜之间的黏附作用对膜污染起主导作用;相同p H条件下,PA膜-BSA之间的微观作用小于PP膜-BSA之间的相互作用力,说明亲水性较强的PA膜具有较强的抗污染性;而PA膜和PP膜过滤后期BSA-BSA之间黏聚力相差不大,也进一步说明膜过滤过程中膜-污染物之间的微观作用力是影响膜污染行为的主要因素.     

典型有机物与超滤膜界面作用及膜污染机制研究

对二级出水中典型有机物的膜通量及膜污染变化情况进行分析比较,并应用扩展DLVO(x DLVO)理论分析了有机物超滤过程中的界面作用能对膜污染行为的影响机制.研究表明,海藻酸钠(SA)导致的膜通量下降最为显著,其次为腐殖酸(HA)和牛血清白蛋白(BSA);就3种有机物而言,膜污染均主要发生在粘附阶段,而在粘聚阶段中膜污染程度较小.对比而言,海藻酸钠(SA)主要形成可逆污染,腐殖酸(HA)和牛血清白蛋白(BSA)则以不可逆污染为主.在过滤过程中,极性界面作用能是控制膜污染的主要因素,HA和BSA的极性界面作用能为正值,能抑制膜污染,而SA的极性界面作用能为负值,会加剧膜污染.3种有机物在粘聚阶段的极性界面作用能均大于粘附阶段,说明粘附阶段的膜污染更严重.     

微污染水源水中有机物的分布特征及微滤膜对其的影响作用

本试验是在微污染水源水中有机物分布调查的基础上,采用聚偏氟乙烯(PVDF)微滤膜(MF)过滤微污染地表水,考察微滤膜对天然水中有机物的影响作用.试验结果表明,黄浦江微污染水源水中的有机物分子质量主要集中在3~5 k Da和0.2 k Da附近,且疏水性有机物和亲水性有机物所占的比例相当.有机物季节性分布特征明显,冬季溶解性有机碳(DOC)的值偏高,而UV254和比紫外吸光度值(SUVA)则在夏季偏高.黄浦江原水经微滤膜过滤后,有机物构成发生明显变化,膜出水中的亲水性有机物的比例增加,而疏水性有机物的比例降低,DOC和UV254的平均去除率分别为17.73%和15.75%.黄浦江原水及经0.45μm滤膜过滤以去除悬浮物的黄浦江原水分别进行微滤膜过滤,膜比通量的对比发现,在较短时间内两者的膜比通量下降都很明显,而后膜比通量都趋于平缓,变化趋势及结果基本一致,可见,黄浦江水中造成膜通量下降的物质并不是悬浮物,而是溶解性的有机物质.     

膜污染层微生物与聚丙烯微滤膜间的界面作用及其吸附特征

采用热力学方法及界面吸附理论,对2株膜污染层微生物(Aeromonas veronii M4、Aeromonas caviae N25)与聚丙烯(PP)微滤膜间的界面作用及吸附特征进行研究.结果表明,Aeromonas veronii M4与PP膜表面均表现出明显的疏水性特征,而Aeromonas caviae N25则呈现亲水性特征,并且A.veronii M4的运动性能也要高于A.caviae N25;另外,2株细菌及PP膜的表面均带有负电荷,表现出明显的电子供体特征,而Lewis酸碱分量U_(mlb)~(AB)则在2株细菌与PP膜的界面作用能中占据着主导地位;依据XDLVO理论,A.caviae N25及A.veronii M4与PP膜之间的总界面作用能均为负值,表明二者在膜上的吸附是一个主动吸附过程,而A.veronii M4-PP膜之间的界面作用能负值最大,说明A.veronii M4具有较高的吸附能力;静态吸附结果则表明,A.veronii M4在PP膜上的吸附量要明显高于A.caviae N25,而2株菌在膜上的吸附行为可由准二级动力学模型进行描述.     

原水中有机物特性对纳滤膜污染的影响

通过XDLVO理论分析了赣江原水中亲疏水性有机污染物对纳滤(NF)膜的污染状况,对选取的不同分子量区间(<100 kDa、<50 kDa、<3 kDa)的6种亲、疏水性有机物及NF膜的界面自由能进行定量分析,分析了膜污染性能,并通过纳滤试验验证通量衰减与界面自由能的对应关系。结果表明：6种不同分子量的亲/疏水性有机污染物对膜造成污染严重程度与XDLVO理论分析结果相符。不同分子量的有机污染物对NF膜污染程度由大到小顺序为小于100 kDa(疏水性)>小于50 kDa(疏水性)>小于3 kDa(疏水性)>小于3 kDa(亲水性)>小于50 kDa(亲水性)>小于100 kDa(亲水性)。分子量<100 kDa的疏水性有机物与膜之间排斥作用最小,污染最为严重。膜表面的污染物主要是多糖、蛋白质和苯环烯烃类,且在过滤初期有机物堵塞膜孔,膜比通量下降速度较快,而在过滤后期滤饼层形成,膜比通量下降速度减缓。     

DOM纳滤膜污染及对膜截留卡马西平性能的影响

研究了天然原水中溶解性有机物(DOM)对HL和ESNA1-K两种纳滤膜造成的膜污染及其对膜截留卡马西平(CBZ)性能的影响.结果表明,DOM的存在造成了严重的膜污染和通量衰减.膜污染对CBZ截留率的影响与膜本身的特性和污染物特性有关,DOM通过在膜表面形成污染滤饼层和进入膜孔内部造成的膜孔堵塞,影响弱疏水性的CBZ从水中的分离,青草沙水库原水中的DOM引起的膜污染提高了两种纳滤膜对CBZ的截留效果,而太湖DOM造成的膜污染会降低CBZ的截留效果.研究还发现,中等相对分子质量(1 500~10 000)有机物会紧密地黏附在膜表面形成滤饼层,从而改变膜表面的疏水性能,小分子主要通过进入膜孔导致膜孔径堵塞.滤饼层的疏水性和浓差极化作用以及膜孔径的堵塞造成膜通量衰减并影响CBZ去除率.应用XDLVO理论对DOM造成的膜污染的分析结果表明,太湖DOM的疏水性明显强于青草沙DOM,其分子间的聚合自由能更负,与膜的黏附自由能更负,因而造成的膜污染和通量衰减更严重.     

海藻酸及腐殖酸共存对PVDF超滤膜的污染行为

为了揭示有机物对PVDF超滤膜的污染行为,选用典型亲/疏水性有机污染物海藻酸(SA)及腐殖酸(HA),采用原子力显微镜结合自制的PVDF膜材料探针和污染物探针定量测定了PVDF-污染物及污染物-污染物间的作用力,并进行PVDF膜污染试验和污染物去除效果分析.结果表明:亲水性SA-PVDF及SA-SA之间的作用力皆大于疏水性HA-PVDF及HA-HA间的作用力,且SA污染膜的通量衰减速率与衰减幅度明显大于HA污染膜,说明了亲水性有机物是引起PVDF超滤膜污染的优势污染物.HA/SA混合污染物试验表明,膜污染行为与混合污染物中优势污染物的含量密切相关;与单种污染物的膜污染行为相比,混合污染物间不存在明显的协同作用促进膜污染.此外,污染物的去除率与相应微观作用力大小及膜污染速率成正相关关系.     

不同氧化剂降低膜污染效果的研究

采用不同的氧化剂预处理黄浦江原水后进行微滤膜(MF)膜过滤试验,考察预氧化对有机物的去除作用,及其对MF膜过滤特性的影响.结果表明,3种不同氧化剂对有机物的去除效果存在较大差别.臭氧投量在0.5~3.0mg/L范围内,臭氧对DOC和UV254的去除率最高分别为10%和71%;而氯和高锰酸钾对有机物的去除效果则较差.臭氧可将大分子有机物转变成小分子有机物,将大部分疏水性有机物氧化成亲水性有机物.这种有机物组成结构的改变对膜过滤特性产生影响,明显降低了膜污染,膜污染下降率最高可达到22.7%.氯和高锰酸钾的氧化性相对较弱,仅能去除少部分疏水性有机物,对膜污染有较小减缓作用,膜污染下降率最高分别为9%和8.5%.     

不同原水中膜污染物质的表征与确定

本文采用有机物的组分分析、相对分子质量分布及三维荧光等分析手段,研究了青草沙水库和滆湖原水的膜过滤通量的表现,探讨了膜污染的机理.试验结果表明,中亲组分有机物造成的微滤膜和超滤膜的通量下降最为严重,而疏水性有机物对通量的影响甚微.滆湖水对微滤膜的通量下降较青草沙水库水严重,而青草沙水库水对超滤膜的通量下降较滆湖水严重.膜污染机理的分析表明,微滤膜污染主要由膜孔堵塞造成,而超滤膜的通量主要受大分子有机物形成的滤饼层的影响.三维荧光分析表明,蛋白质类的有机物是造成膜污染的主要物质.     

SPG膜表面润湿性对膜污染和化学耐受性的影响

SPG膜微气泡曝气系统可应用于废水好氧处理,SPG膜污染以及其对化学清洗的耐受性是影响其应用的重要因素.本研究在采用在线化学清洗的微气泡曝气生物膜反应器中,考察了SPG膜表面性质对膜污染及化学耐受性的影响.结果表明,在长期运行过程中,SPG膜表面润湿性对膜污染和化学耐受性具有明显影响.膜表面污染层主要是有机污染,而疏水性膜抗有机污染能力较强.使用在线化学清洗时,碱性次氯酸钠溶液对亲水性膜腐蚀严重,膜孔径和孔隙率显著增大.疏水性膜抗碱性次氯酸钠溶液化学腐蚀能力较强,膜孔结构仅有轻微改变,但是疏水性膜表面疏水官能团易被氧化,使得膜表面润湿性下降.同时,疏水性膜在氧传质、污染物去除和降低能耗等方面具有优势.因此,疏水性SPG膜适用于微气泡曝气废水好氧生物处理.