聚砜超滤膜与低分子量有机物以及表面活性剂之间的交互作用

摘要

膜技术作为一种新兴的分离、净化和浓缩技术,以其不可比拟的优越性而广泛的应用于诸多领域。膜污染和劣化则是制约膜分离技术应用的瓶颈,其中分离料液分子与膜材料的交互作用是膜污染和劣化的研究的关键。
　　采用聚砜超滤膜,选取醇、醛、酸、酚四种低分子有机物体系与自来水混合形成有机废水,考察超滤分离过程中低分子量有机物溶质对超滤过程的影响。结果表明:自来水产生的膜阻力是膜本身阻力的0.32倍;醇、酚、酸、醛四种低分子量有机溶液的污染程度依照污染因子排列的顺序为:甲醇溶液<苯酚溶液<甲酸溶液<甲醛溶液。
　　苯酚料液的污染超过甲醇溶液,这可能是因为苯酚具有微弱的酸性,而且苯基的憎水性大于甲基所致;甲酸溶液具有很强的酸性,溶液中羧酸根基团增加且带有负电性与膜表面的吸引作用增大了膜污染,是其水通量减小的主要原因;而对于甲醛而言,可能是因为甲醛使蛋白质变性而引起膜污染增大。根据表面活性剂具有特殊的性质,选用阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠SDS和阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵CTAB,考察在表面活性剂存在下低分子量有机物溶质对超滤过程的影响以及膜污染表面与溶质之间的交互作用。
　　表面活性剂会通过多种途径影响膜通量:首先,溶液表面张力会改变膜的亲水性,表面张力降低可以减轻膜污染,提高水通量;其次,表面活性剂加入后会形成临界胶束,膜会对临界胶束产生截留,临界胶束浓度的增大会引起通量的下降;第三,如果表面活性剂带有电荷,与膜表面之间的电性吸引或者排斥也会改变溶液的通量。正是多种因素在不同情况下的综合作用,使得在不同料液中呈现出不同的结果。
　　实验结果说明:十二烷基硫酸钠SDS加入四种有机溶液中,膜通量最大值出现在临界浓度条件下,此条件下膜污染最小;对甲醇溶液而言,十二烷基硫酸钠SDS没有减轻污染的作用,酸类和醛类降低污染的效果比较明显。对于十六烷基三甲基溴化铵CTAB而言,对于甲醇、苯酚溶液,其最大值出现在1/2cmc处;对于甲酸和甲醛溶液,其最大值出现在cmc处。在醇、酚、酸溶液体系中,污染因子均接近于0.36,但对甲醛溶液,有特殊的减少膜污染的作用。比较两种表面活性剂的添加效果,可知阳离子表面活性剂的效果优于阴离子表面活性剂。其主要原因为聚砜膜显示正电性,对阳离子表面活性剂的排斥作用使膜污染减小,而使膜通量增大。
　　实验又采用腐殖酸模拟废水对超滤膜进行污染,然后进一步对上述体系进行考察和分析;结果表明:通过对有机物的去除率的分析,可知腐殖酸中的有机物质首先吸附在膜孔内,使得膜孔窄化,加大有机物的截留,进而形成滤饼层,加重膜污染。在腐殖酸溶液中添加表面活性剂,其混合溶液的通量降低,膜污染因子增大,表面活性剂的加入未能改善膜污染,膜污染的程度有明显的增加。从膜污染因子的大小可以看出,十六烷基三甲基溴化铵CTAB比十二烷基硫酸钠SDS的污染程度轻。显然,高污染表面的荷电性质受到削弱,膜会对临界胶束产生截留成为主导因素,使膜通量减小,膜污染加大。
　　综合分析可知,在实验涉及的范围内,膜表面活性剂在低分子量有机物废水系统(污染较轻)中有较好的改善作用,但对于腐殖酸体系(高污染)反而使污染加大。正是多种因素在不同情况下的综合作用,使得在不同料液中呈现出不同的结果。论文初步探索的结果和推论为后继进一步研究奠定了基础。

目录

摘要

Abstract

1 前言

1.1 膜分离技术简介

1.1.1 膜分离的基本原理

1.1.2 膜分离技术特点

1.1.3 常用膜分离过程

1.2 超滤过程

1.3 超滤膜的污染

1.3.1 膜污染的基本概念

1.3.2 影响膜污染的因素

1.4 表面活性剂与膜污染

1.4.1 表面活性剂简介

1.4.2 膜表面改性

1.4.3 污染膜的清洗

1.4.4 增溶胶团超滤

1.5 超滤的应用

1.6 课题的意义及研究内容

2. 实验部分

2.1 研究背景

2.2 实验药品与仪器

2.2.1 实验仪器

2.2.2 实验药品

2.3 实验方法

2.3.1 超滤膜的选取

2.3.2 分离料液物质的选取

2.3.3 膜性能表征

2.3.4 膜通量实验

2.3.5 腐殖酸料液实验

3 结果与讨论

3.1 聚砜膜性能测试

3.2 纯水通量测定和自来水通量测定

3.3 甲醇料液实验体系

3.3.1 纯水配制甲醇溶液和自来水配制甲醇溶液的膜通量

3.3.2 表面活性剂种类对甲醇水溶液膜通量的影响

3.3.3 表面活性剂添加量对膜通量变化的影响

3.3.4 运行操作压力对通量变化的影响

3.4 苯酚料液实验体系

3.4.1 苯酚与甲醇膜通量比较

3.4.2 表面活性剂对膜通量变化的影响

3.4.3 运行操作压差对通量变化的影响

3.5 甲酸料液实验体系

3.6 甲醛料液实验体系

3.7 腐殖酸模拟废水的超滤实验

3.7.1 腐殖酸及其腐殖酸溶液的配置以及分析方法

3.7.2 聚砜膜对腐殖酸料液过滤

3.7.3 表面活性剂对膜通量变化的影响

4 结论

参考文献

附录

致谢