碳纳米管预涂覆低压膜去除水中腐殖酸的机理研究

以腐殖酸（Humic Acid,HA）为研究对象,通过压力辅助过滤技术将碳纳米管（Carbon Nanotubes,CNTs）预涂覆在聚醚砜（Polyethersulfone,PES）平板膜表面,制备了CNTs预涂覆低压膜,分别考察了该膜在恒压和恒流实验中对HA的去除情况及其对膜污染的缓解作用.研究表明,CNTs预涂覆膜可以有效缓解基膜的污染,保证CNTs的分散性,增加PES膜表面预涂覆CNTs的投加量,有助于缓解膜污染的发生;采用径向尺寸小的CNTs制备出的预涂覆低压膜,其抗污染能力更佳.研究进一步采用恒流膜滤装置对膜滤过程的3个阶段（新膜过滤阶段、膜污染加速阶段、堵塞膜截留阶段）进行了模拟,考察了CNTs预涂覆低压膜对HA的去除机理.结果表明,新膜过滤阶段,CNTs预涂覆低压膜运行初期,CNTs的吸附性能对HA的去除起主导作用,HA去除率随过滤时间的增加而不断减小,吸附阶段CNTs预涂覆膜的跨膜压差（Transmembrane Pressure,TMP）始终保持在较低水平（不高于15 kPa）,降低CNTs的径向尺寸和提高CNTs投加量,均有助于吸附去除HA;膜污染加速阶段,随着CNTs预涂覆膜进入膜污染加速阶段,HA的去除率由吸附阶段的不断降低开始出现上升拐点,TMP由于CNTs预涂覆膜的加快堵塞而不断升高;堵塞膜截留阶段,CNTs预涂覆低压膜在一定程度堵塞后,表现出截留去除HA的效能,且TMP仍保持在低压膜运行范围内,降低CNTs的径向尺寸,制备的预涂覆膜孔径小且分布均匀,有助于其提高截留去除HA的效能.整个恒流实验过程中,未负载CNTs的基膜对HA仅有微弱的吸附作用,且由于其较大的孔径,对HA的截留作用十分有限.本文通过对CNTs预涂覆低压膜吸附阶段和截留阶段的划分,明确了CNTs预涂覆低压膜在吸附饱和之后,能够有效截留水中HA,可作为水中腐殖质类污染物去除的一种有效手段.     

预涂动态膜强化超滤去除海水中有机物及其对膜污染的影响

以粉末活性炭和硅藻土为涂膜材料,在聚醚砜超滤膜表面形成预涂动态膜,考察了预涂动态膜对海水中有机物的去除效果和作用机制,通过比较分析直接超滤和预涂动态膜过滤海水前后膜表面亲疏水性、形貌结构、粗糙度及膜阻力分布的变化,探讨了活性炭和硅藻土预涂覆对超滤膜污染的影响.结果表明,预涂动态膜可提高超滤膜对海水中溶解有机碳(DOC)和UV_(254)的去除率,活性炭预涂动态膜对海水中DOC和UV_(254)的去除率较直接超滤分别提高11.2%和11.3%.硅藻土预涂膜主要利用超滤膜表面形成的硅藻土滤饼层强化海水中蛋白质类有机物的截留,活性炭对海水中小分子有机物的额外吸附导致海水过滤过程中活性炭预涂膜对有机物的去除效果优于硅藻土预涂膜.与直接超滤相比,预涂动态膜过滤海水后膜表面亲水性更好,膜表面粗糙度更低,膜过滤阻力也更小,活性炭预涂动态膜净化海水时膜过滤总阻力较直接超滤降低50.3%.利用涂膜材料在超滤膜表面形成的滤饼层将超滤膜与有机物进行了"隔离",避免了超滤膜与有机污染物直接接触,降低了小分子有机物在膜孔内的吸附堵塞,能够有效减缓超滤膜的不可逆污染.     

碳纳米管预沉积改性膜的污染机理研究

为探究碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)预沉积改性膜的污染机理,本研究使用正压过滤法将CNTs预沉积在3种孔径的有机膜(20 kDa聚醚砜膜、0.01 μm和0.1 μm聚偏二氟乙烯膜)表面,研究了CNTs预沉积改性膜过滤3种典型污染物(牛血清蛋白、腐殖酸、海藻酸钠)过程中的膜污染情况.根据比通量、Hermia模型和传统滤饼过滤模型,对恒压死端过滤3种典型污染物过程中的污染机理进行了系统评价.结果表明,20 kDa PES膜和0.01 μm PVDF膜表面预沉积CNTs改性后,过滤3种典型膜污染物质时的膜污染情况都得到了一定程度的缓解.20 kDa PES膜表面预沉积CNTs后过滤HA初期为完全孔堵塞与滤饼过滤相结合的复合污染机理,最终转变为滤饼过滤;过滤SA的污染机理为完全孔堵塞与滤饼过滤相结合的复合污染机理.0.01 μm PVDF膜表面沉积CNTs改性后过滤HA初期的污染机理为膜孔堵塞与滤饼过滤相结合的复合污染机理,然后经过向滤饼过滤转变的过渡阶段,最终形成滤饼过滤,且随着CNTs沉积量的增加,过渡阶段持续时间延长.0.1 μm PVDF膜表面预沉积CNTs后过滤3种污染物,均未能缓解膜污染,膜污染机理不受CNTs沉积改性的影响,其过滤BSA和HA的污染机理为膜孔堵塞,过滤SA过程的污染机理符合滤饼过滤.     

粉末活性炭预沉积去除藻类有机物及其对膜污染的影响

以东海原甲藻分泌的藻类有机物（AOM）为研究对象,研究粉末活性炭预沉积和预吸附两种膜前预处理手段对海水中AOM的去除作用,对比分析AOM直接超滤、预沉积和预吸附后再超滤时膜通量、膜阻力分布、膜表面亲疏水性和粗糙度的变化,探讨粉末活性炭孔隙结构、沉积量对AOM去除效果及超滤膜污染的影响.结果表明,活性炭预沉积和预吸附能够提高超滤膜对含AOM海水中DOC和UV₂₅₄的去除率,预沉积对AOM的去除作用优于预吸附,介孔活性炭较微孔活性炭的预沉积效果更好,当介孔活性炭PAC2的沉积量为0.4g/L时,DOC和UV₂₅₄的去除率较直接超滤分别提高了25.1%和33.6%.紫外吸收比指数（URI）分析表明,活性炭预沉积和预吸附对有机物的去除作用具有选择性,AOM中芳香族物质较脂肪族羧基类物质更易被除去.粉末活性炭预沉积下AOM超滤时的滤饼层污染阻力（R_c）和膜孔堵塞阻力（R_p）较直接超滤分别降低了39.6%和81.2%,活性炭在超滤膜表面形成的滤饼层结构将AOM与超滤膜进行了隔离,能够减缓膜污染速率,对于控制膜的不可逆污染亦具有重要作用.     

臭氧-CNT膜改性联用工艺对PVDF中空纤维膜污染进程的缓解

采用碳纳米管(carbon nanotube,CNT)对聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)中空纤维超滤膜进行改性,结合臭氧预氧化技术,考察了臭氧-CNT膜改性联用工艺对PVDF中空纤维膜污染进程的缓解作用,研究了CNT负载量和臭氧投量对中空纤维膜组件通量变化和抗污染性能的影响.结果表明,CNT负载量为3 g·m-2、臭氧投量(以O3/DOC计)为0.22mg·mg-1时,临界通量下[144 L·(m2·h)-1],膜组件单位面积过水量达到850 L·m-2,相比原始超滤膜过水量提高了4.5倍;低通量[18 L·(m2·h)-1]下运行15d,膜组件单位面积过水量达到3000 L·m-2,相比原膜单位过水量提高近10倍.使用共聚焦激光扫描电镜观测污染膜表面,结果表明,运行压力增长最快的原膜表面污染层内活菌数量最多;臭氧氧化与CNT膜均能够减少膜表面污染层内的微生物总量和活菌数量,从而缓解了运行压力的增长.臭氧氧化后CNT层的存在,进一步减少了膜表面污染层内的活菌数量,同时截留了部分死菌,但截留的死菌与运行压力增长无明显相关性.     

高锰酸盐复合药剂预氧化缓解超滤膜藻类污染的中试研究

通过中试试验考察了高锰酸盐复合药剂(PPC)预氧化强化混凝/沉淀/超滤的组合工艺的除藻效能以及PPC预氧化对藻类引起的膜污染的缓解作用,并对其机理进行了探讨.试验结果表明,投加0.6mg·L-1PPC能使预处理阶段对藻类的平均去除率提高约28%.组合工艺处理高藻水时,PPC预氧化通过强化预处理,降低膜表面的污染负荷,对藻源污染物引起可逆和不可逆污染均具有一定的缓解作用.化学清洗试验结果表明,碱洗对超滤膜TMP恢复效果远远强于酸洗,因而有机物是超滤膜处理高藻水时的主要污染物质.     

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.     

预涂膜工艺应用于超滤膜系统

为提高超滤膜系统对污水处理厂二级出水中有机物和TN的去除效果,并降低超滤膜污染速率,改善超滤膜性能,分析了沸石粉、硅藻土2种预涂膜工艺在超滤膜系统中的应用效果. 结果表明:沸石粉/超滤工艺对超滤膜系统的膜通量恢复良好,反冲洗后能恢复到原来的膜通量;而硅藻土/超滤工艺中膜通量较初期下降0.01 L/(m2·h),对照组下降0.04 L/(m2·h). 沸石粉/超滤工艺对污水处理厂二级出水中COD_Cr、UV₂₅₄和TN的去除率分别为17.5%、13.5%和11.7%,相比对照组均有较大程度提高. 通过电镜扫描分析发现,沸石粉能够在超滤膜表面有效形成一层保护膜,降低有机物在膜表面的沉积,保障膜系统的高效率及长期稳定运行. 通过比较各实际运行工况效果并进行筛选,确定沸石粉为预涂膜工艺的最佳材料.      

碳纳米管改性PVDF中空纤维超滤膜处理二级出水抗污染性能研究

采用碳纳米管改性PVDF中空纤维超滤膜以缓解膜污染.考察了CNTs的乙醇分散液浓度、CNTs尺寸和负载量对改性中空纤维膜的抗污染性能和改性膜内表面CNTs层稳定性的影响,分析了该改性膜对二级出水DOC、UV254的去除效果,并对改性膜出水的荧光特性进行了表征.结果表明,选用体积分数为50%的乙醇分散液、外径为30~50 nm碳纳米管、负载量为3 g·m-2时,制备的改性中空纤维膜CNTs层稳定,抗污染能力显著提高.与未改性膜相比,改性膜对二级出水DOC和UV254的去除率分别提高了37%和56%;且对二级出水中的腐殖类和蛋白质类物质去除能力明显增强.     

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.     

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%.     

城市污水二级出水超滤膜污染与膜特性的研究

以城市污水二级出水为过滤介质,考察了PVA、PVP、PMMA等与PVDF的二元及三元共混超滤膜的过滤污染行为.结果表明,共混优化了PVDF超滤膜的结构参数,添加剂PVP、PVA可有效改善膜的亲水化程度,提高膜渗透通量.超滤膜的亲水性和结构特性对膜抗污染性能影响较大;堵孔阻力是二级出水过滤膜污染不可逆的主要原因.亲水性较强的超滤膜,二级出水过滤初期易因浓差极化而导致滤饼层污染,造成一定的通量衰减,但易清洗恢复,不可逆污染指数(rir)为0,抗污染性能好.致密的超滤膜表面有利于防止二级出水中的中低分子量污染物进入膜内部,而断面通透大孔和疏松海绵层结构的超滤膜,能减少二级出水中的污染物在膜中沉积形成堵孔阻力.膜表面多孔,内部大孔发育不充分,易形成堵孔污染,通量衰减大且不易清洗恢复,膜污染不可逆.     

Influence of floc dynamic protection layer on alleviating ultrafiltration membrane fouling induced by humic substances

Cake layer formation is inevitable over time for ultrafiltration (UF) membrane-based drinking water treatment. Although the cake layer is always considered to cause membrane fouling, it can also act as a “dynamic protection layer”, as it further adsorbs pollutants and dramatically reduces their chance of getting to the membrane surface. Here, the UF membrane fouling performance was investigated with pre-deposited loose flocs in the presence of humic acid (HA). The results showed that the floc dynamic protection layer played an important role in removing HA. The higher the solution pH, the more negative the floc charge, resulting in lower HA removal efficiency due to the electrostatic repulsion and large pore size of the floc layer. With decreasing solution pH, a positively charged floc dynamic protection layer was formed, and more HA molecules were adsorbed. The potential reasons were ascribed to the smaller floc size, greater positive charge, and higher roughness of the floc layer. However, similar membrane fouling performance was also observed for the negative and positive floc dynamic protection layers due to their strong looseness characteristics. In addition, the molecular weight (MW) distribution of HA also played an important role in UF membrane fouling behavior. For the small MW HA molecules, the chance of forming a loose cake layer was high with a negatively charged floc dynamic protection layer, while for the large MW HA molecules it was high with a positively charged floc dynamic protection layer. As a result, slight UF membrane fouling was induced.     

一体式絮体-超滤工艺去除腐殖酸效能与机制

近年来,一体式吸附剂-超滤膜组合工艺以其效率高、膜污染程度低且占地面积小等优势逐渐在水处理中广泛应用.然而,目前所用吸附剂多为颗粒型,如粉末活性炭、碳纳米管、纳米铁等.不仅长期运行极易引起膜表面损伤,且多数吸附剂成本较高.为有效克服上述问题,以水处理中广泛应用的铝盐混凝剂水解絮体为吸附剂,以天然水体中普遍存在的腐殖酸为目标污染物,考察了松散且密度低的絮体直接注入膜池后腐殖酸的去除效率及膜污染行为.结果表明,曝气方式、絮体注入频率及注入量均能不同程度地影响该组合工艺效能.与间歇曝气和一次性注入相比,采用连续曝气且分批次注入时,絮体在膜表面形成松散"保护膜",充分发挥了絮体作用,腐殖酸去除效率较高,膜污染程度显著降低.单独HA污染超滤膜时,5d内跨膜压差急剧增至74.8 k Pa,而连续曝气且每次2 d注入5.4 mmol·L-1絮体运行8 d后跨膜压差仅增至6.3 k Pa.此时HA去除率为73.3%(8 d),远高于无絮体注入时(5 d,32.1%).此外,分批次注入絮体时仅有少量腐殖酸吸附于膜孔,松散滤饼层为主要污染方式,且单次注入量越大,运行结束经水洗后膜表面平均孔径也越大.本研究表明一体式松散絮体-超滤膜组合工艺在水处理中具有潜在应用前景.     

聚醚砜和聚偏氟乙烯超滤膜对臭氧的耐受性

通过静态浸泡实验考察了臭氧对聚醚砜(PES)和聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜透水能力、截留性能、力学性能等的影响,分析了与臭氧接触前后膜化学组成和性质的变化,结果表明,室温(20土 1)℃下与饱和臭氧水接触2h后,PES膜的透水率增大至原始膜的3倍以上,对腐殖酸(HA)的截留率降至0左右,结合膜表面组成和性质分析,臭氧在...     

两亲性共聚物共混PVDF超滤膜的界面性质与抗蛋白质污染的研究

考察了两亲性共聚物聚氧乙烯/聚氧丙烯/聚氧乙烯[PEO-PPO-PEO(F127)]共混聚偏氟乙烯(PVDF)铸膜液,在水相凝胶浴中的相转化动力学过程.结合衰减全反射傅立叶转变红外光谱(ATR-FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等表征手段,分析了F127含量在PVDF膜表面的PEO富集率、膜微观形貌及结构参数的影响规律.以静态吸附量、过滤比通量衰减及膜污染阻力模型,评价了F127/PVDF共混膜对牛血清蛋白(BSA)的抗污染性能.结果表明随着F127添加量增大,相转化延迟分相行为增强,膜表面及内部孔径和孔隙率升高,表面粗糙度增大,膜面PEO富集率的增幅在F127含量达15%后趋于稳定.F127含量在15%~25%之间的共混膜有较高的渗透通量和BSA截留率,静态吸附量低,比通量衰减速度慢,不可逆污染指数低,堵孔阻力及滤饼层阻力分布系数小,表现了良好的抗污染性能.     

溶解性微生物产物在GO/PVDF杂化膜面的污染行为

为了解析溶解性微生物产物（SMP）在GO/PVDF杂化膜面的污染特性,对膜片进行了宏观污染实验,并采用耗散石英微晶天平（QCM-D）从微观角度分析了SMP在自制镀膜芯片上的吸附规律和污染层结构变化.结果表明,GO含量为0.5wt%的膜污染恢复率最高（79.95%）,抗污染能力最强.QCM-D实验发现,GO含量为0wt%镀膜芯片表面SMP吸附量最大,污染较为严重.膜片亲水性越强,吸附频率变化越小,抗污染能力越强.此外,GO含量为0.5wt%镀膜芯片表面的污染物结构比较疏松和柔软,其他膜表面的污染物结构较为坚硬和致密.     

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.