城市污水回用系統(tǒng)中反滲透膜的膜污染及清洗機理研究

隨著膜技術(shù)在城市污水再生利用中應用規(guī)模的增大,膜污染及清洗問題更為突出。分析膜污染及清洗機理，從而找出防止或減緩反滲透膜污染的有效方法，提高膜的清洗效果已成為當今膜技術(shù)的研究熱點和前沿。本項目對有機膜污垢進行測定，并利用萃取的天然出水有機物和胞外聚合物在反滲透膜上的再結(jié)污分析，結(jié)果表明，出水有機物結(jié)污量遠小于胞外聚合物，但每單位的出水有機物所能導致的膜通量下降卻明顯高于胞外聚合物；另外，污垢的傅里葉紅外光譜分析表明，胞外聚合物結(jié)污的蛋白質(zhì)組成比出水有機物結(jié)污更高。有機膜污垢在反滲透系統(tǒng)和石英晶體微天平模擬系統(tǒng)中的反復結(jié)污和清洗實驗發(fā)現(xiàn)，小分子出水有機物相比大分子胞外聚合物，更易造成嚴重的不可逆污染；同時，原膜、出水有機物和胞外聚合物污染的膜表面的傅里葉紅外光譜圖發(fā)現(xiàn)反滲透膜上形成的不可逆污垢的主要成分為的多糖。項目利用反滲透系統(tǒng)和石英晶體微天平系統(tǒng)研究了乙二胺四乙酸和三磷酸鈉兩種不同的金屬螯合劑對模擬聚酰胺膜和反滲透膜上的有機物和胞外聚合物的清洗性能，結(jié)合電鏡掃描結(jié)果，三磷酸鈉對胞外聚合物的清洗效果要優(yōu)于乙二胺四乙酸，而乙二胺四乙酸對出水有機物的清洗效率則要高于三磷酸鈉。為從源頭上減少膜污染，減少頻繁清洗造成的膜損傷，本項目對反滲透膜進行抗污染改性研究，通過等離子體的處理，成功制備出新型的氧化石墨烯嵌入式納米復合膜。等離子處理后的膜顯著增強了原膜表面的親水性，打開膜上部分酰胺鏈，形成更薄的聚酰胺層。最終經(jīng)等離子處理的氧化石墨烯嵌入式納米復合膜有最佳的的水通量（44.3LMH），是復合薄膜的1.76倍。此外，等離子處理將氧化石墨烯暴露在膜表面，使納米復合膜對大腸桿菌表現(xiàn)出優(yōu)異的殺菌性能，42%的大腸桿菌被滅活。同時，親水性和帶負電的納米復合膜表面具有較強的防污性能。具有高截留率、高通量的耐污改性膜在脫鹽應用中具有巨大的潛力。 2100433B

隨著膜技術(shù)在城市污水再生利用中應用規(guī)模的增大,膜污染及清洗問題更為突出。分析膜污染及清洗機理，從而找出防止或減緩反滲透膜污染的有效方法，提高膜的清洗效果已成為當今膜技術(shù)的研究熱點和前沿。該項目利用耗散型石英晶體天平這一新型研究手段，深入探究雙膜法污水回用系統(tǒng)中膜污垢與不同類型清洗劑之間的物理化學交互作用。在前期工作中，已成功在石英晶體表面合成交聯(lián)的芳酰胺膜，精確模擬了反滲透膜表面性質(zhì)。本研究將根據(jù)在膜污垢吸附及清洗過程中的石英晶體頻率及耗散能量的變化，利用Voigt粘彈性模型方程估算清洗前后膜污垢的質(zhì)量、厚度、粘度和彈性等信息，分析構(gòu)建合理的吸附及清洗機理，并結(jié)合微型反滲透膜過濾裝置中清洗前后膜通量，膜污垢層形態(tài)及成分變化，揭示膜污染及清洗機理，預測膜污染狀況，建立清洗模型，以從理論上指導膜污染的預防和及時清除。

膜生物反應器（MBR）是一種高效的污水處理和回用技術(shù)，但膜污染問題成為制約該項技術(shù)推廣應用的主要瓶頸。本項目從膜過程和膜面污泥層控制的角度出發(fā)，提出結(jié)合正滲透（FO）膜過程和超聲波技術(shù)控制膜污染的新思路。我們對膜污染機制進行了系統(tǒng)的分析研究，提出了兩種新的膜污染機制和理論：膜面污泥層過濾的滲透壓效應，和曲面條件下膜污染的界面熱力學機制。以這些理論為基礎(chǔ)，對主要膜污染影響因子進行識別，分析和理清了主要因子影響膜污染的作用方式和途徑。同時給出了相關(guān)膜污染機制的數(shù)學模型，為膜污染控制提供了理論指導。本項目還研究了超聲波對膜、污泥和反應器性能的影響，優(yōu)化了操作條件。項目執(zhí)行期間，共發(fā)表學術(shù)論文37篇，其中34篇SCI論文，SCI 影響因子總和為141，發(fā)表SCI長篇綜述論文3篇，被認為是MBR領(lǐng)域的經(jīng)典著作。 2100433B