荷电超滤膜对天然有机物去除及膜污染行为的影响

以Aldrich 腐殖酸溶液为水样,研究比较了溶液环境(pH值、离子强度和钙离子)对荷电改性再生纤维素超滤膜和传统中性未改性再生纤维素超滤膜过滤过程的影响.结果表明, ①pH值主要通过质子化作用影响荷电膜以及腐殖酸分子的荷电量,进而影响荷电超滤过程.溶液pH值从7.5下降到3.5时,荷电超滤膜对腐殖酸的截留率从92%减少到79%,超滤4 h时,膜通量下降从26%增加到36%.②离子强度的改变是通过影响腐殖酸分子的物化性质和静电屏蔽作用来影响超滤过程的.当溶液离子强度为0、 3和100 mmol/L时,初始截留率依次降低,分别为92%、 87%和48%,超滤4 h时,荷电超滤膜的通量下降依次增加,分别为26%、 35%和63%.③Ca2+浓度的影响,需要综合考虑静电屏蔽作用、Ca2+的架桥作用以及滤饼层的压实性等各方面的影响.④pH值、离子强度和钙离子对中性超滤膜过滤行为的影响趋势与荷电超滤膜相似,但其影响程度有着较大的差别.研究结果对荷电超滤膜技术在实际应用中选择合适环境条件提供了参考.     

溶液环境对荷电超滤膜和传统中性超滤膜去除天然有机物的影响

以Aldrich 腐殖酸溶液为水样,研究比较了溶液环境(pH值、离子强度和钙离子)对荷电改性再生纤维素超滤膜和传统中性未改性再生纤维素超滤膜过滤过程的影响.结果表明, ①pH值主要通过质子化作用影响荷电膜以及腐殖酸分子的荷电量,进而影响荷电超滤过程.溶液pH值从7.5下降到3.5时,荷电超滤膜对腐殖酸的截留率从92%减少到79%,超滤4 h时,膜通量下降从26%增加到36%.②离子强度的改变是通过影响腐殖酸分子的物化性质和静电屏蔽作用来影响超滤过程的.当溶液离子强度为0、 3和100 mmol/L时,初始截留率依次降低,分别为92%、 87%和48%,超滤4 h时,荷电超滤膜的通量下降依次增加,分别为26%、 35%和63%.③Ca2+浓度的影响,需要综合考虑静电屏蔽作用、Ca2+的架桥作用以及滤饼层的压实性等各方面的影响.④pH值、离子强度和钙离子对中性超滤膜过滤行为的影响趋势与荷电超滤膜相似,但其影响程度有着较大的差别.研究结果对荷电超滤膜技术在实际应用中选择合适环境条件提供了参考.     

亲水荷电超滤膜的制备及对腐殖酸的分离性能

为改善聚醚砜(PES)超滤膜的抗污染性能和提高对腐殖酸(HA)的截留率,以介孔二氧化硅(MS)为添加剂,采用相转化法制备了亲水性PES/MS复合超滤膜,并对膜表面进行荷电改性.研究了MS对膜的断面结构、表面化学性质和过滤性能的影响,考察了荷电改性PES/MS超滤膜对水中HA的分离性能以及溶液pH值、离子强度和钙离子浓度等因素对荷电膜超滤过程的影响.SEM表征结果显示,MS颗粒在PES/MS复合膜的表面分散均匀,膜孔的连通性改善.亲水荷电改性后,膜表面接触角由68°降至57°,zeta电位由-6.31mV降至-11.45mV,膜对HA的去除率由72%提高到95%,通量衰减率由29.8%减小到4.9%.结果表明,对PES超滤膜进行亲水荷电改性可有效提高对HA的截留率,同时减轻膜污染;另外,溶液的pH值、离子强度和钙离子浓度对荷电超滤膜的过滤性能有较大影响,调节合适的溶液环境可在提高截留率的同时,减轻膜污染.     

有机物对UF膜过滤通量的影响

采用截留分子量为30000的聚醚砜超滤膜进行膜过滤试验,研究有机物的特性,如亲疏水性以及相对分子质量对超滤膜通量的影响.试验结果表明,过滤亲水性组分时膜通量明显高于过滤疏水性组分.对2种不同水源的试验表明,尽管有机物含量相同,但由于亲疏水性的比例不同,造成的膜通量下降不同.疏水性越大的原水,其膜通量下降也越大.因此,疏水性组分是造成通量下降的主要因素.试验还表明,相对分子质量较大的有机物并非通量下降的主要因素,有机物的分散性可能是影响通量的主要因素.     

粉末活性炭预处理对超滤膜通量的影响

研究了粉末活性炭预处理对改善超滤膜过滤通量的效果.试验采用了4种具有不同亲疏水性的水样,着重探讨粉末活性炭对有机物的疏水性和亲水性组分的去除效果以及所带来的通量改善.试验结果表明,对于4种水样,超滤膜直接过滤原水时,通量下降严重.虽然粉末活性炭预处理能在一定程度上提高通量,但通量下降的趋势仍未改善.对有机物各组分的分析表明,直接过滤原水时,膜主要截留疏水性有机物;粉末炭吸附主要去除亲水性有机物,而超滤膜过滤粉末炭处理水时,主要截留疏水性有机物.由此,超滤膜的通量下降主要是由疏水性有机物引起的,亲水性组分对通量的影响较小.     

粉末活性炭预吸附改善超滤膜通量试验研究

研究了粉末活性炭(PAC)预处理长江原水对改善超滤膜通量的效果.试验采用截留相对分子质量分别为30000 Da和10 000 Da的2种超滤膜,着重探讨了PAC对长江水中不同分子量有机物的吸附去除效果以及其所带来的膜通量改善.试验结果表明,超滤膜直接过滤原水时,膜通量下降严重;采用PAC预吸附后,2种膜的通量在一定程度上均得到提高.对PAC预吸附和膜后水样进行不同相对分子质量有机物的测定,结果表明:PAC吸附小于1000Da相对分子质量有机物高于其他相对分子质量区间有机物总和;膜表观截留孔径越小,PAC预吸附改善膜通量效果越显著.     

中空纤维超滤膜处理聚合物驱采油污水中膜污染特性分析

聚合物驱采油污水中大量聚合物的存在影响了污水的性质,它对超滤膜的污染机理与一般采油污水不同。研究了超滤过滤模拟含聚合物污水过程中,聚合物浓度对膜通量的影响,通过对过滤实际原水污染膜纤维进行化学清洗以及污染膜表面和断面扫描电镜分析,优选化学清洗方案。在此基础上,采用优选的化学清洗方案对工程应用中的膜组件进行清洗。结果表明:随着聚合物浓度升高,膜通量衰减逐渐加剧;NaOH和十二烷基苯磺酸钠组合对聚合物污染清洗效果最佳,可恢复初始通量的75%;分析清洗后膜表面的扫描电镜图表明,原水中物质会在膜面累积形成稳定凝胶层并对膜造成不可逆污染。     

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.     

微滤过程中腐殖酸与膜表面黏附特性的试验研究

为了进一步研究微滤过程中腐殖酸对微滤膜的污染机制,通过运用原子力显微镜(AFM),结合自制的PVDF胶体探针考察了不同的pH、离子强度以及钙离子浓度等水质条件下膜-腐殖酸与腐殖酸-腐殖酸之间微观黏附力的变化趋势以及与膜的通量衰减幅度之间的相关性.结果发现,微观黏附力是膜面污染产生的根本原因.由于pH的电性中和以及离子强度的电性屏蔽作用,膜-腐殖酸以及腐殖酸-腐殖酸之间黏附力随着pH的减小或离子强度的增大都呈增大趋势;而随着钙离子浓度的增大,由于少量钙离子的"架桥"作用以及过量时的电性中和作用,两种黏附力先增大后减小.各条件下,膜-腐殖酸与腐殖酸-腐殖酸之间黏附力都呈相同的变化趋势,且与对应污染膜的通量衰减幅度具有正相关性,为更加深入了解膜污染的形成机制提供了一定的理论支持.     

不同组分的有机物对膜过滤通量下降的影响

采用DAX-8、XAD-4、IRA-958型树脂将自来水中有机物分离成强疏水性、弱疏水性、极性亲水性、中性亲水性有机物,以聚偏氟乙烯、聚醚砜、醋酸纤维3种材质的膜对各组分水样进行膜过滤试验,研究不同组分的有机物对膜过滤通量的影响.结果表明,过滤原水时,PES膜、PVDF膜和CA膜的通量分别比初始通量下降了67%、 59%和19%,表明疏水性越强的膜,越容易造成污染.就各种组分对通量的影响而言,过滤中性亲水性组分的通量下降为初始通量的41%～75%,而弱疏水性组分为6%～33%,表明中性亲水性组分对膜过滤通量的影响最大.3种膜中,CA膜对中性亲水性组分的截留率最高,达14.69%,但通量下降程度却最小,说明膜通量下降的程度并不与有机物截留总量正相关.对膜污染机制进行探讨后发现,对于截留分子量较大的超滤或微滤膜,相对分子质量>3×10⁴的中性亲水性组分通过堵塞膜孔内部,从而造成严重的膜污染;而对于截留分子量较小的超滤膜,中性亲水性组分由于无法进入膜孔,主要在膜表面形成滤饼层,从而对膜通量的影响较小.     

Ultrafiltration with in-line coagulation for the removal of natural humic acid and membrane fouling mechanism

Experimental and theoretical analysis were made on the natural humic acid removal and the membrane fouling of ultrafiltration （UF） with in-line coagulation. The results showed dissolved organic carbon （DOC） and UV254 removals by the UF with in-line coagulation at pH 7 were increased from 28% to 53% and 40% to 78% in comparison with direct UF treatment respectively. At the same time, the analysis of high performance liquid chromatography showed that UF with coagulation had significant improvement of removal of humic acid with molecular weights less than 6000 Da in particular. Compared to direct UF, the in-line coagulation UF also kept more constant permeate flux and very slight increase oftransmembrane pressure during a filtration circle. Two typical membrane fouling models were used by inducing two coefficients Kc and Kp corresponding to cake filtration model and pore narrowing model respectively. It was found that membrane fouling by pore-narrowing effect was effectively alleviated and that by cake-filtration was much decreased by in-line coagulation. Under the condition of coagulation prior to ultrafiltration at pH 7, the cake layer formed on the membrane surface became thicker, but the membrane filtration resistance was lower than that at pH 5 with the extension of operation time.     

地下水源膜法给水厂长期运行过程中膜性能演变

大庆油田水务公司西水源水厂以地下水作为主要水源,采用臭氧/活性炭+超滤膜（UF）处理工艺;自2014年投产至2019年底已经运行5年,水厂出水浊度、有机物（COD_Mn）和菌落总数等水质指标均稳定达标,但超滤膜污染导致膜性能变化。为了探究5年运行过程中超滤膜处理性能演变情况,对膜出水水质、膜通量、跨膜压差和膜污染层等进行分析。结果表明:超滤膜对浊度和微生物的去除率保持在90%以上,对COD_Mn平均去除率维持在9%。运行5年过程中,超滤膜的比通量每年下降2.1%~4.6%,恢复性化学清洗（CIP）对超滤膜的通量与比通量恢复率分别维持在73%~91%和85%~92%。污染层分析结果表明,超滤膜的有机污染物主要是腐植酸和蛋白质等;无机污染物包括锰、铁、硅、钙和铝等。高价金属元素与有机物形成络合污染物,在污染层中起到支配作用;另外,钙和硅的无机盐垢也不可忽视。     

加载絮体形态对短流程超滤膜污染影响效应

以聚硫酸铁（PFS）为混凝剂,微砂为载体颗粒,系统考察了采用加载絮凝-超滤联用工艺净化含高岭土、腐植酸和锑[Sb（Ⅲ）]的模拟原水过程中,不同PFS和微砂投加量条件下加载絮体形态特性以及其对超滤膜通量衰减、膜污染可逆性和宏观出水水质等的影响,并分析了膜污染机理.结果表明,PFS投加量对絮体形态及膜滤效能和膜污染影响显著,且投加量过少或过多均会产生不利影响,以30mg/L为宜;与不投加微砂的工况相比,加入微砂更易于形成大而结构较为松散的絮体,可有效削弱不可逆膜污染,并获得较为稳定的超滤出水水质;超滤末端膜比通量与絮体平均粒径呈良好的正相关性（R²=0.8774）,但因加载絮凝体系中引起分形维数变大的不同类型颗粒（包括小粒径范围絮体和未被加载絮体捕获的微砂）对超滤净水过程产生的影响各异,致使膜通量与分形维数的负相关性较差（R²=0.5760）.     

水质环境条件对恒流超滤过程的影响研究

研究了用聚丙烯腈中空纤维超滤膜组件净化含腐殖酸类有机物模拟废水的恒流膜过程,考察了水中的Ca2+浓度、离子强度、pH值等水质环境条件对超滤膜过滤性能的影响。试验结果表明,增加水中Ca2+浓度,增大溶液离子强度,以及降低pH值均能增大跨膜压差的增加速率;增加水中Ca2+浓度和降低pH值的效果较明显。Ca2+、离子强度变化基本不影响有机污染物的去除率,而pH值的升高降低了膜对水中有机污染物的去除率。     

基于膜特征参数变化的蛋白质超滤过程膜污染研究

为进一步研究多种蛋白质体系超滤过程的膜污染机制,采用切割相对分子质量为50×103的聚醚砜(polyethersulfone,PES)超滤膜,对溶菌酶(lysozyme,LYS)、牛血清蛋白(bovine serum albumin,BSA)、LYS+BSA等3种不同蛋白质溶液的超滤过程进行了研究.运用接触角仪、场发射扫描电镜(field emission scanning electron microscope,FESEM)、原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)测定了不同污染阶段膜特征参数的变化.结果表明,超滤膜通量变化明显呈现3个阶段:初期(约0~5min)衰减迅速、中期(约5~60 min)衰减缓慢、后期(约60~120 min)趋于稳定;整个超滤过程中,LYS污染膜的通量衰减幅度最大,LYS+BSA次之,BSA最小.膜特征参数变化表明:LYS对膜的初期污染主要以膜孔窄化为主,中期污染由膜孔堵塞和膜孔窄化共同控制;BSA初期膜污染以膜孔堵塞为主,中期污染以膜孔窄化为主;滤饼层过滤是BSA、LYS后期膜污染的主要机制.LYS+BSA二元混合溶液中的LYS对膜污染的产生起主导作用.     

微絮凝对腐殖酸超滤过程膜污染的减缓特性

以硫酸铝[Al_2(SO_4)_3·18H_2O]为絮凝剂,腐殖酸(humic acid,HA)和高岭土(Kaolin)水溶液为原水,研究微絮凝过程产生的不同絮体形态,对自制聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜过滤过程的影响.主要考察了微絮凝过程中絮体的特性(粒径大小及分布,分形维数)以及不同条件下形成的絮体形态对膜通量的影响,利用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对污染膜的表面形貌进行表征,并测定了PVDF膜与有机污染物之间黏附力大小,来解析不同絮体形态对超滤膜的膜污染影响机制.结果表明,Al~(3+)以电性中和作用水解去除有机物,随着絮凝剂投加量的增加,絮体粒径不断增大,絮体的分形维数减小.膜通量衰减速率与絮体的粒径呈负相关,絮体粒径越大,膜通量衰减速率越小,超滤过程中形成的滤饼层越疏松,同时,较小分形维数的絮体引起的膜污染较轻,其膜通量恢复率也较高.PVDF-有机污染物之间的相互作用力大小与运行初期相应污染膜通量衰减速率呈正相关.当Al~(3+)投加量为5 mg·L~(-1),初始pH=7时,HA去除率为96.7%,膜通量衰减最小,通量恢复率达到88%.     

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.     

厌氧膜生物反应器中亲疏水性有机物的膜污染特征

采用树脂吸附脱附的方法对厌氧膜生物反应器（AnMBR）中溶解性微生物代谢产物（SMP）的6种亲疏水性有机物进行了分离,其中,亲水中性物质是SMP的主要成分,占总有机物的74.84%.多糖、蛋白质和腐殖质类物质在亲疏水性有机物中均有分布.采用恒压死端过滤的方式对比分析了6种亲疏水性有机物的微滤特性,发现在TOC浓度相同的条件下,亲水性碱（HIB）是造成膜通量下降最快的物质,其次是亲水中性物（HIN）和疏水性酸（HOA）,膜通量下降速率与有机物平均粒径呈指数相关关系（R²=0.9965）.采用过滤模型对微滤过程进行拟合,HOA、HIN和HIB的过滤过程分别符合标准堵塞模型、中间过滤模型和滤饼过滤模型的特征,与其粒径分布特征相对应.试验进一步对比了亲疏水性有机物污染层的可逆性,结果表明HIN造成的膜污染不易通过物理反冲洗得到恢复.     

附加电场对中空纤维膜污染的减缓作用

通过对新型附加电场的中空纤维膜组件的实验室研究,探讨了电场对缓解微滤膜污染的作用.在恒定流量下过滤含有20mg/L腐殖酸的原水,无电压时,跨膜压力从0.0200MPa上升到0.0300MPa耗时2h,而施加60V电压时该时间段延长至10h.研究表明,原水中的腐殖酸在电场中发生电泳迁移,减少了向膜表面的移动,其对膜的污染被减缓;同时腐殖酸在电场中发生凝聚现象,沉积在膜表面形成疏松的滤饼层,是跨膜压力增加缓慢的另一原因.