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文檔簡介
1、正滲透(Forward Osmosis,FO)作為一種低能耗、低污染和高回收率的綠色膜分離技術,可廣泛應用于海水淡化、發(fā)電、工業(yè)廢水處理、食品、航天及制藥等工業(yè)生產和日常生活的各個領域。它利用選擇性半透膜兩側溶液的滲透壓差作為驅動力,使純水從濃度較低的原料液(Feed Solution,FS)一側自發(fā)地進行跨膜擴散,運動到濃度較高的驅動液(Draw Solution,DS)中。針對于中國淡水資源嚴重匱乏的現狀,正滲透技術的進一步研究對實
2、現該技術的實際應用提供理論支持,對緩解目前的水資源短缺問題和能源壓力具有重要意義。
基于國內外對正滲透的研究,本論文選擇了兩種正滲透膜(美國HTI公司生產的三醋酸纖維膜(CTA膜)和高性能的聚酰胺復合膜(TFC膜)),8種常見的無機驅動劑NaCl、NaNO3、KCl、KNO3、NH4Cl、NH4NO3、CaCl2和Ca(NO3)2,系統地研究了驅動劑中不同陽離子(K+、Na+、NH4+和Ca2+)和不同陰離子(Cl-和NO3-
3、)在兩種膜放置模式(FO模式:FS面向活性分析層,PRO模式:FS面向多孔支撐層)下的水通量情況,分別選擇出驅動效果最好的陰陽離子(K+和Na+,Cl-);研究了膜兩側鹽度變化對驅動效果的影響,探討了正滲透過程對含表面活性劑(十二烷基苯磺酸鈉)、重金屬Ni2+和抗生素(環(huán)丙沙星)的不同鹽度的模擬廢水的處理情況,主要考察在不同操作條件下特征污染物的去除率。另外,根據驅動劑選擇原則,通過與常見的無機驅動劑進行比較,研究了油田大量使用的聚合電
4、解質物質-聚丙烯酰胺(HPAM)作為驅動劑的可行性,并將其應用于染料廢水處理中,研究并比較了長時間運行下不同膜放置方位的運行效率。此外,為了探究正滲透膜污染的情況,選擇牛血清白蛋白(BSA)和辛酸(Octanoic acid,OA)分別代表二級出水中廣泛存在的蛋白質和有機酸類物質,研究了其在不同溶液pH、Ca2+濃度、離子強度、膜放置方位和初始水通量等條件的膜污染情況。主要研究結果如下:
1.對于無機驅動劑的驅動效果研究比較發(fā)
5、現,不同陽離子類型對水通量影響較大,Na+和K+離子的水通量高,而且其隨時間降低幅度小。氯酸鹽的水通量和降低幅度均大于硝酸鹽。另外,在不同膜放置方位下,溶液性質對水通量具有不同影響。在一定粘度范圍內,PRO模式下的水通量由滲透壓主導;而在一定滲透壓范圍內,FO模式下的水通量由粘度主導。在選擇的這8種無機鹽驅動劑中,KCl為性能最佳驅動劑而NaCl則為性價比最佳驅動劑,對今后無機驅動劑的選擇提供了理論支持。
2.在膜兩側溶液滲透
6、壓差一致的情況下,明確了膜兩側溶液鹽度增加對驅動效果的影響。膜兩側溶液鹽度增加,濃差極化現象加重,使得水通量下降。另外,低鹽度條件下,FO模式下的水通量隨溫度增加增幅顯著,但在高鹽度條件下,溫度增加對其水通量的促進作用減弱。流速增加能有效緩解外濃差極化現象,從而促進PRO模式的水通量,但其對內濃差極化影響不大,不能有效提高FO模式下的水通量。隨著鹽度的增加,流速對水通量的促進作用增強。在PRO模式下,高鹽廢水引起嚴重的膜結垢,但可通過簡
7、單的物理清洗去除。該部分明確了膜兩側溶液鹽度變化對水通量和膜結垢的影響,并探討了溫度,流速和膜放置方位變化對正滲透過程處理不同鹽度溶液的影響,為今后正滲透技術在不同鹽度廢水中的應用提供了一定的技術支持。
3.使用TFC膜處理含有表面活性劑SDBS、重金屬Ni2+和抗生素環(huán)丙沙星的廢水發(fā)現了TFC膜對以上三種污染物均具有較高的截留率,其去除機理主要為位阻作用。TFC膜對SDBS的截留率始終保持在98%以上。CTA膜和TFC膜對N
8、i2+的截流率均在93%以上。在低鹽度條件下,表面活性劑SDBS會增加Ni2+離子的截留率,然而高鹽條件下,因為大量Na+離子在膜表面的積聚使SDBS的影響不明顯。CTA膜對CIP的截流率大于80%,另外,pH對CIP的截流率影響大,隨著pH的增加,膜對CIP的截留率不斷降低,從97.4%降低到86.7%。靜電斥力在CIP的截留作用中貢獻較小。另外,鹽度增加會提高污染物的截留率。這部分明確了正滲透過程對以上三種不同特征污染物的處理效果,
9、分析了不同操作條件(溫度、流速、FS離子強度、pH及添加劑)對截留率的影響,對正滲透技術在不同廢水中的實際應用具有非常重要的指導意義。
4.有機聚合物HPAM溶液其水通量穩(wěn)定、反向鹽質通量低,作為DS切實可行,使用FO技術稀釋后的HPAM溶液能保持較高的粘度,滿足三采油的要求。HPAM溶液作為DS處理染料廢水,經過50h的運行,染料廢水得到了很好的濃縮處理,同時HPAM得到了很好的稀釋。在PRO模式下,膜污染經歷3個不同的步驟
10、:a.HPAM形成濾餅層;b.HPAM濾餅層的稀釋;c.膜孔堵塞;而在FO模式下的膜污染程度輕,并沒有經歷上述三個步驟;另外,HPAM和染料分子接觸并相互交聯形成難以清洗的污染層,使得FO和PRO組合模式的膜污染嚴重且難以清洗。通過與性能最優(yōu)的無機驅動劑KCl作比較,研究分析了有機聚合物HPAM的驅動效果,并應用其處理染料廢水,明確了其作為驅動劑的可行性,豐富了正滲透驅動劑系統。稀釋后的HPAM可以保持較高的粘度,可以直接應用于油田進行
11、聚合驅油,節(jié)約了大量的淡水資源,對于油田具有非常積極的意義。
5.研究了FO過程中蛋白質類物質BSA和脂肪酸類物質OA的膜污染過程及機理。研究發(fā)現Ca2+存在使得BSA膜污染加重,而OA污染減輕,因為Ca2+和BSA結合形成BSA-Ca2+復合物,在膜表面堆積,加重膜污染,另外Ca2+通過占據膜表面的吸附位點使OA在膜表面的吸附量減少,從而減輕污染。FS離子強度增加,使得靜電斥力減弱,從而使得BSA在膜表面堆積量增加,從而使得
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