超滤膜材料对SiO2-有机物膜污染行为的影响

选用聚偏氟乙烯（PVDF）及乙烯乙烯醇共聚物（EVOH）2种超滤膜，针对SiO₂-牛血清蛋白（BSA）及SiO₂-腐殖酸（HA）2种无机-有机混合污染物，通过单种及混合污染物过滤实验，结合各污染物与膜之间作用力的测定，考察膜材料对SiO₂-有机混合污染物膜污染行为的影响机制.结果表明：与单种有机污染物HA或BSA相比，SiO₂-HA/BSA混合污染物对PVDF及EVOH超滤膜的污染会出现加剧和减缓2种相反的现象.结合作用力结果发现：当膜-SiO₂之间的作用力大于膜-有机污染物之间作用力时，与单种有机污染物相比，SiO₂的存在会加剧膜污染；相反，当膜-SiO₂之间作用力小于膜-有机污染物之间作用力时，SiO₂的存在会有效减缓膜污染.上述结果说明膜材料是控制无机-有机混合污染物膜污染行为的关键因素.     

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.     

pH值对有机物(BSA)膜污染的影响

选用BSA(牛血清蛋白)代表有机污染物,使用QCM-D技术考察了BSA在PVDF膜面的吸附行为及吸附层结构随pH值的变化特征,并采用原子力显微镜定量测定了相应pH值条件下PVDF-BSA及BSA-BSA之间作用力,结合膜污染试验,解析pH值对有机物污染膜行为的影响机理.结果发现,在BSA的等电点,PVDF-BSA及BSA-BSA之间的静电排斥力最小,导致BSA迅速吸附累积于膜面,形成密实的BSA污染层,引起超滤膜通量大幅度衰减.当pH值偏离BSA等电点后,BSA间静电排斥力的增强有效削弱了BSA在膜面的吸附量,相应BSA污染层松散度增大,膜污染减弱.在实际的水处理中,通过适当的pH值调节,针对性将超滤膜及污染物调整至带有相同电性、并增大二者所带净电荷量,是减缓超滤膜污染的有效手段.     

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.     

Mg~(2+)对腐殖酸在EVOH膜面微观作用过程的影响

在不同Mg~(2+)条件下,使用耗散型石英晶体微天平(QCM-D)技术考察了腐植酸(HA)在乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)膜面的吸附行为及HA吸附层结构特征,定量测定了EVOH-HA及HA-HA之间作用力随Mg~(2+)含量的变化特征,结合宏观EVOH膜污染实验,揭示Mg~(2+)对天然有机物超滤膜污染行为的影响机制.结果表明:Mg~(2+)对HA污染行为的影响分为2个阶段:在较低的Mg~(2+)条件下,电荷屏蔽、络合及架桥等作用使得EVOH及HA表面所带净电荷量减小,削弱了EVOH-HA及HA-HA之间的静电排斥力,进而促进HA在膜面的吸附累积,且形成密实的HA污染层,相应膜污染加剧.随着Mg~(2+)含量继续增大,EVOH-HA及HA-HA之间水合排斥力逐渐增强,成为控制膜污染的主要因素,有效减缓了HA在EVOH膜面的吸附累积速率,且膜面形成松散多孔的HA吸附层,伴随着膜污染速率及污染幅度的减小.     

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.     

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.     

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.     

蛋白质及无机离子对纳滤膜去除PFOS的影响

以全氟辛烷磺酸（PFOS）为目标去除物,选取牛血清蛋白（BSA）为典型蛋白质类有机物,考察了BSA及其浓度,以及BSA与无机离子共存时,离子强度、离子种类对聚酰胺纳滤膜去除水中PFOS的影响.研究发现,原液中存在BSA时,PFOS的去除率有显著提高,而且BSA浓度越高,PFOS的去除率越高;当BSA与无机离子共存时,离子强度越大,PFOS去除率越高.这可能是因为BSA不但会吸附一部分PFOS,还会造成膜污染,BSA浓度越大,膜污染越严重,膜的筛分能力越强,且膜面与PFOS之间的静电排斥力越大,从而提高了PFOS的截留率.而无机离子的存在减小了BSA分子之间及与膜面之间的静电排斥力,使BSA污染层更加厚实,进一步增强了膜的筛分能力.此外,Ca²⁺提高PFOS去除率的能力优于Na⁺.     

纳滤膜过滤MBR出水的污染原因与清洗方法

为研究膜-生物反应器(MBR)出水对纳滤膜的污染原因及清洗方法,使用场发射扫描电镜、傅立叶变换红外光谱仪、原子力显微镜和接触角仪对经MBR出水污染的纳滤膜表面污染层进行了检测,结果表明,纳滤膜表面污染物包括有机物和无机物,所含元素包括磷、镁等,对经过不同清洗步骤的膜表面进行的检测表明,柠檬酸清洗可以去除镁和大部分磷,这些物质主要以无机形态存在于膜面污染物中;后续NaOH清洗可以进一步去除磷,这部分磷主要来自有机酸、有机磷或蛋白质等膜面污染物.污染使膜表面粗糙度由79.5 nm增大至111.2 nm,但接触角由55.6°变为62.1°,表明亲水性变化不大;酸洗后表面粗糙度显著减小至51.9 nm,接触角变为96.0°,表明有机污染物暴露出来,膜面呈现疏水性;再经碱洗后,膜面粗糙度与亲水性均接近于新膜.这些结果说明,先酸洗后碱洗的方法可以去除绝大部分的膜面污染物,进一步推知膜污染初期主要为有机污染,之后无机物的作用使污染进一步加重.     

基于NaOCl扩散行为的膜清洗条件影响及优化

为了探究基于NaOCl扩散行为进行膜清洗的影响因素,建立完善的添加剂强化NaOCl扩散的新型膜清洗方法,本文以牛血清蛋白（BSA）、海藻酸钠（SA）作为模型污染物,通过批次膜清洗实验对膜面剩余污染物浓度、洗脱污染物粒径和膜面污染物形貌进行了测定分析和动态监控,探究不同活性氯（Cl_T）浓度,不同pH值及不同添加剂（十二烷基硫酸钠,SDS）浓度对强化扩散NaOCl清洗的影响,并对操作参数进行了优化,同时也验证了不同条件下的膜清洗机制.结果表明,在Cl_T浓度为200mg/L,pH值为11,SDS浓度为0.4mmol/L的条件下对膜面的清洗效率 > 95%.     

溶液特性及共存物对纳滤膜去除水中全氟辛酸的影响

利用聚酰胺复合纳滤(NF)膜去除水中的持久性有机污染物—全氟辛酸(PFOA),分别研究了PFOA浓度、溶液离子强度、pH值、典型大分子有机物—牛血清蛋白(BSA)以及BSA与Na+共存对PFOA截留率的影响.结果表明,在0.8MPa下过滤24h,随着PFOA浓度增大,PFOA截留率提高;溶液离子强度、pH值越高,PFO...     

DOM对纳滤膜去除磺胺甲恶唑效果影响研究

试验研究几种不同可溶性有机物(DOM)对纳滤膜(NF)去除抗生素磺胺甲恶唑(SMZ)的影响效果.试验所用DOM选定腐殖酸(HA)、单宁酸(TA)和海藻酸钠(SA).结果显示3种DOM对SMZ去除率和通量影响迥异,并与DOM的亲疏水性有密切的关系.为更好了解DOM对NF去除SMZ的影响机理,试验对臭氧化HA也进行了研究.臭氧化HA相对于臭氧前HA亲水性显著提高,对SMZ去除率的影响相应提高.结果表明在有多种DOM共同存在的天然原水中,SMZ的去除机理十分复杂,DOM的本身物理化学性质对于目标物的去除效果十分重要.