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.     

MWCNTs预涂覆及预吸附处理缓解低压膜腐殖酸污染的机制研究

以腐殖酸(Humic Acid,HA)为研究对象,采用多壁碳纳米管(Multiwalled Carbon Nanotubes,MWCNTs)对聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)平板超滤膜进行预涂覆改性处理,并与等量MWCNTs分散状态时吸附处理HA对膜污染的缓解效果进行了对比,考察了MWCNTs在处理HA过程中缓解膜污染的机制.同时,分析了MWCNTs投量和溶液离子变化对MWCNTs吸附及截留作用缓解膜污染的影响.结果表明,MWCNTs预涂覆与吸附相比,能够更有效地缓解膜污染,其中,分散剂为乙醇的MWCNTs预涂覆层对膜污染的缓解效果最好.增加MWCNTs投量不能无限地提高其对HA的吸附及截留效果;添加Na~+会造成MWCNTs对HA的吸附及截留效果变差;添加Ca~(2+)能够提高MWCNTs对HA的吸附及截留效果.膜表面污染照片及膜电镜观测结果表明,乙醇分散MWCNTs在超滤膜(UF)表面形成的预涂覆层呈均匀的层状结构,HA被拦截在MWCNTs层的多孔结构内,不易进入PVDF膜膜孔,反洗时易脱附,可逆性高;纯水分散MWCNTs在超滤膜表面形成的预涂覆层易于团聚,HA容易透过MWCNTs涂覆层进而堵塞PVDF膜膜孔,可逆性低;MWCNTs预吸附处理后形成MWCNTs和HA的包裹体,不经微滤膜滤除,会在PVDF膜表面产生复合污染.     

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.     

碳纳米管径向尺寸对碳纳米管自支撑膜孔隙结构及通量的影响

为了探索碳纳米材料膜在水处理中应用的可能性,本实验选取4种径向尺寸的碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNTs),采用压力辅助过滤技术制备CNTs自支撑膜.通过对CNTs自支撑膜的平均孔径、孔径分布及截留分子量(Molecular weight Cut-Off,MWCO)等进行分析,研究了CNTs径向尺寸变化对CNTs自支撑膜孔隙结构的影响.结果表明,CNTs的径向尺寸越小,制备得到的CNTs自支撑膜越趋向于形成小孔径的膜孔,且孔径分布更加均匀,孔隙面积比越高,膜的MWCO越小.单壁碳纳米管(Single-walled carbon nanotube, SWNT)与多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotube, MWNT)相比,前者更容易形成膜平均孔径更小且孔径分布更均匀的CNTs自支撑膜.膜通量测定结果表明,研究制备的CNTs自支撑膜的通量属于低压膜范围,通量在230～347 L·m~(-2)·h~(-1)·bar~(-1)之间.其中,虽然由径向尺寸较小的CNTs所制备的CNTs自支撑膜的平均孔径更小,但由于其具有更高的孔隙面积比和更小的膜厚度,其纯水通量相对高于由大径向尺寸CNTs制备的CNTs自支撑膜.     

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.     

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.     

采用膜污染指数评估天然有机物在低压超滤膜中的污染行为

针对超滤膜的过滤特性,采用膜污染指数（FI）来研究天然有机物（NOM）的膜污染行为.实验中,腐殖酸（HA）、牛血清蛋白（BSA）以及海藻酸钠（NaAlg）被用作模型有机物进行超滤膜污染研究.结果表明,NOM-膜滤先后经过快反应和慢反应污染阶段,其中快反应膜污染指数（TFIF）远大于慢反应膜污染指数（TFIS）.说明短时间内NOM容易在低压膜上积累,造成通量迅速下降,引起较为严重的污染.因此,反应最初阶段,低压膜与有机物的作用决定了整个膜污染的趋势.经过水力清洗,通量有一定恢复,膜阻力降低,能够去除部分污染物,但仍有少量有机物附着在膜丝,从而造成不可逆污染.3种有机物造成的不可逆污染比例依次为BSA〉HA〉NaAlg,而通过化学清洗后,其不可逆污染比例依次为：NaAlg〉BSA〉HA,腐殖酸和蛋白容易造成不可逆污染,但碱洗易于除去,多糖造成的不可逆污染相对较轻,但碱洗难以去除.污染物与膜之间的相互作用可能是造成污染的主要原因.总的说来,FI计算方法简单,能够综合描述膜污染情况,具有一定的应用价值.     

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.     

预涂动态膜-生物反应器处理生活污水试验研究

采用孔径56um的工业滤布制作膜组件,以PAC作为预涂剂,组成预涂动态膜一生物反应器．对比预涂膜、未预涂膜和0．4um中空纤维膜的污染物去除效果和膜污染状况．试验结果发现,预涂动态膜．生物反应器不仅污染物质去除效果更好,而且预涂膜可以防止污染物质与微生物向膜材料表面和内部扩散,从而减轻膜污染,运行1128h后,操作压力仅上升至6kPa,并且只需刷洗,膜通量就可以恢复．无须消耗化学试剂．     

混凝-膜过滤中滤饼层对双酚A的去除强化作用研究

以聚合氯化铝(PAC)和氯化铁(FeCl3)为混凝剂,分析了双酚A(BPA)在1g/L高岭土溶液混凝过程中的特征.并借助循环错流过滤强化污染层累积的方法,评价产生滤饼层的微滤(MF)膜对BPA的截留效果.结果表明:清洁的微滤膜过滤BPA溶液在短时间内达到截留吸附饱和,之后其对BPA的吸附截留作用显著降低;混凝絮体混合液经膜过滤时产生的污染层有利于BPA的去除,且单独混凝对BPA去除率最高的混凝剂投加量下进行膜过滤时的阻力较小.PAC混凝—膜过滤后BPA去除率比单独混凝提高了34.30%;FeCl3混凝—膜过滤后BPA去除率比单独混凝提高了28.38%.初始BPA浓度对混凝-膜过滤去除率有一定影响,BPA浓度为100μg/L时,比BPA浓度为5mg/L时采用2种混凝-微滤膜过滤方式去除率均有提高.     

一体式铝盐絮体-超滤膜净水效能与机制

一体式膜工艺以其占地面积小、污染物去除效率高等优点在水处理工艺中逐渐应用.然而,长期运行后,传统颗粒性吸附剂存在加剧膜表面损伤的风险,同时大多数研究所用吸附剂价格较高,如纳米铁、碳纳米管等.针对上述问题,本文将铝盐混凝剂水解后形成的松散絮体直接注入膜池,基于腐殖酸(HA)和密云水库原水,考察了一体式絮体-超滤膜工艺运行效能及膜污染行为.结果表明,仅HA过膜时,第12 d跨膜压差(transmembrane pressure,TMP)急剧增至76. 4 k Pa,将膜组件取出经自来水清洗膜表面后TMP降为10. 1 k Pa (13 d),表明滤饼层是膜污染的主要形式,并且运行期间HA平均去除率仅为23. 3%.絮体注入频率、曝气强度及溶液pH能显著影响该工艺运行效能,尤其溶液pH.当采用连续投加方式将43. 2mmol·L-1铝盐絮体注入到pH为6. 0、曝气速率为0. 3 L·min-1膜池内时,膜污染程度显著降低,第12 d时TMP仅增长到19. 5 k Pa,清洗之后TMP降为5. 6 k Pa (13 d),此时HA平均去除率提高至61. 2%.此外,密云水库原水实验表明,当原水直接过膜时,TMP也急剧增加,运行12 d时TMP达到38. 0 k Pa,而清洗膜表面后TMP降低至3. 8 k Pa (13 d),滤饼层仍然为主要污染方式,同时有机质平均去除率为7. 5%.在上述最佳工艺条件下(曝气0. 3 L·min-1、溶液pH 6. 0)投加43. 2mmol·L-1铝盐絮体时,TMP增长也极其缓慢,12 d时仅增至6. 1 k Pa,膜表面清洗后TMP降至2. 3 k Pa (13 d),有机质平均去除率高达58. 6%.本研究表明一体式铝盐絮体-超滤膜在水处理中具有潜在的应用价值.     

浸入式超滤膜工艺稳定运行影响因素研究

以确定浸入式超滤膜工艺稳定运行工况为目标,进行了混凝.浸入式超滤膜工艺处理滦河原水的中试研究.采用横跨膜压差(TMP)做为表征膜稳定运行的工艺参数,考察了膜通量、制水周期、原水水质条件的改变对膜工艺的影响.结果表明,采用浸入式膜处理滦河水时,膜通量为53.3 L/(m2·h)且制水周期为30 min时膜工艺运行稳定,能较好控制膜污染;水温变化对膜工艺运行影响较大,低温期单个过滤周期TMP比高藻期增加了76%;EFM和化学清洗结合是一种有效地控制膜污染、强化稳定运行的措施.     

悬浮填料投加对AnMBR性能及膜污染的影响

研究了悬浮填料投加对分置式厌氧膜生物反应器（AnMBR）的COD去除效果、污泥混合液特性及膜污染的影响。试验结果表明:在反应器有机负荷为2.09 kg/（m3·d）,污泥负荷为0.54 kg/（kg·d）,水力停留时间（HRT）为48 h,温度为（35±2）℃的条件下,与未投加悬浮填料阶段比较,投加填料后AnMBR的COD总去除率由96.6%提高至97.9%,甲烷产率提高16.0%。同时投加悬浮填料后AnMBR混合液污泥平均粒径增大,滤饼层阻力、总阻力、滤饼层阻力在总阻力中的占比较未投加悬浮填料时分别降低7.8、6.5和1.3百分点,溶解性胞外聚合物（SEPS）和结合性胞外聚合物（BEPS）浓度分别降低了20.5%和29.4%,跨膜压差（TMP）线性增长速率降低,膜污染速率明显减缓。因此,投加悬浮填料可在不增加能耗的情况下改善污泥混合液特性,起到强化AnMBR处理效果和控制膜污染的作用。     

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.     

投加粉末活性炭对一体式膜-生物反应器膜污染的影响研究

通过试验考察了粉末活性炭（PAC）对一体式膜-生物反应器中膜污染的影响．在2种类型的污泥（膨胀污泥和非膨胀）中，投加适量PAC可以减轻膜污染，表现为临界膜通量的提高和连续运行中膜污染增长速率的降低．当污泥性质和浓度不同时，最佳PAC投加范围亦不同．PAC投量过大会引起临界通量下降．PAC的投加显著降低了混合液中溶解性物质的浓度，减轻了溶解性物质的吸附和膜孔堵塞污染，并改善了絮体结构．污泥比阻与污泥混合液膜过滤性能之间有很好的相关性，可作为污泥混合液膜过滤性能的快速评价指标．