超滤--吸附双功能膜的制备及其同步去除复合污染物的性能研究

摘要

为应对膜法水处理技术所面临的低压下多组分污染物同步去除的技术挑战，本论文提出将纳米吸附材料和超滤膜耦合，构建兼具超滤和吸附双功能膜(DFUF)并研究其对水中复合污染物的同步去除性能。在制备出中空介孔碳纳米球(HMCNs)的基础上，通过错流反向灌装方式将其装填到聚醚砜超滤膜的指状孔中，得到了DFUF膜。分别以水中微量四环素、牛血清蛋白(BSA)作为小尺度有机污染物和大分子的代表，考察了DFUF膜的污染物去除性能。主要内容如下: 通过“二氧化硅辅助”法合成了类介孔碳纳米球(MCNs)和中空介孔碳纳米球(HMCNs)，利用热重分析仪(TGA)，扫描电镜(SEM)，透射电子显微镜(TEM)和N2吸附/解吸等方法对合成的HMCNs和MCNs进行了结构和形貌表征。考察了不同水化学条件，如溶液pH值，吸附温度，初始浓度，竞争阴离子，腐殖酸浓度等因素对介孔碳纳米球吸附去除四环素的效果的影响。结果表明，HMCNs具有多孔的外壳和空腔等独特的结构。HMCNs和MCNs的BET表面积分别为1913 m2 g-1和1171 m2 g-1，其较大的比表面积提供了大量的吸附活性位点。HMCNs和MCNs对四环素的最大吸附量分别为701.4 mg g-1和564.8 mg g-1，其对四环素的吸附容量受溶液pH值，吸附温度，腐殖酸浓度和初始浓度的影响较大，但竞争阴离子的存在几乎不影响其对四环素的吸附能力。此外，HMCNs可再生5次，吸附效率均保持在为91.74％以上。 采用非溶剂诱导相分离(NIPS)方法制备了非对称聚醚砜(PES)超滤膜，通过错流灌装方式将MCNs和HMCNs固定在PES超滤膜的指状孔内。采用热重分析仪(TGA)，扫描电镜(SEM)和N2吸附/解吸对DFUF膜进行表征。结果表明，DFUF膜中固定的HMCNs和MCNs的质量分数分别为37.79wt％和37.82wt％。膜性能评价结果显示，PES超滤膜和HMCNs-loaded膜的纯水通量分别为432.3 L m-2 h-1和270.0 L m-2 h-1。PES超滤膜和HMCNs-loaded膜对BSA的截留分别为72.31％和71.05％。DFUF膜具有对复合污染物出色的同步去除性能，可在截留PEG(Mw=600 kDa)的同时，吸附去除四环素。在一个使用周期内，DFUF膜对四环素的去除率可达到90％以上，对PEG的截留也保持在99.5％以上。此外，DFUF膜的再生效率超过90％。综上所述，DFUF膜在未来的水处理过程中将发挥重要的作用。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景

1．2．2 PPCPs的来源

1．2．3 PPCPs的危害

1．3传统处理技术

1．3．1生物法

1．3．2高级氧化法(AOPs)

1．3．3吸附技术

1．3．4膜分离技术

1．4混合基质膜(MMMs)

1．5本文的研究目标和内容

1．5．1研究目标

1．5．2研究内容

1．6技术路线

2介孔纳米碳球的制备及其对四环素吸附性能的研究

2．1引言

2．2实验内容

2．3实验部分

2．3．1实验药品

2．3．2实验仪器

2．3．3 “Silica-Assisted”法制备中空介孔纳米碳球和实心介孔纳米碳球

2．3．4材料表征

2．3．5比表面积、孔容和孔径的测定

2．3．6吸附实验

2．3．7分析方法

2．4结果与讨论

2．4．2 HMCNs和MCNs纳米颗粒的物化特性

2．4．3吸附平衡实验

2．4．4吸附动力学

2．4．5 pH对HMCNs纳米颗粒吸附性能的影响

2．4．6温度对HMCNs纳米颗粒吸附性能的影响

2．4．7离子强度对HMCNs纳米颗粒吸附性能的影响

2．4．8腐殖酸对HMCNs纳米颗粒吸附性能的影响

2．4．9 HMCNs纳米颗粒的再生实验

2．5本章小结

3 DFUF膜的制备及其对四环素吸附性能的研究

3．1引言

3．2实验内容

3．3实验部分

3．3．1实验药品

3．3．2实验仪器

3．3．3 PES超滤膜和双功能超滤膜的制备

3．3．4材料表征

3．3．5中空介孔纳米碳球、实心介孔纳米碳球和双功能超滤膜的热重分析

3．3．6 PES超滤膜和双功能超滤膜的通量、截留和切割分子量

3．3．7吸附实验

3．3．8分析方法

3．4结果与讨论

3．4．1 PES超滤膜和DFUF膜的表征

3．4．2 PES超滤膜和DFUF膜的通量与截留

3．4．3 PES超滤膜和DFUF膜的理化特性

3．4．4 MCNs纳米颗粒、HMCNs纳米颗粒、PES超滤膜和DFUF膜的热重图谱分析

3．4．5 PES超滤膜和DFUF膜的切割分子量

3．4．6 PES膜基体的动态吸附

3．4．7 HMCNs-loaded膜的静态吸附和动态过滤实验

3．4．8 HMCNs-loaded膜的抗污染实验

3．4．9 HMCNs-loaded膜的稳定性

3．4．10 HMCNs-loaded膜的再生实验

3．5本章小结

4 结论

致谢

参考文献

附录