xDLVO理论定量解析纳米SiO2和天然有机物超滤膜污染机理

摘要

随着纳米科技的高速发展，纳米二氧化硅(SiO2)因其具有独特的物理化学性质，在化工、纺织、医疗和卫生领域有着广阔的应用前景。纳米SiO2大量使用不可避免地进入水体，与水体中的天然有机有机物(NOM)结合，形成更具毒性的纳米颗粒-NOM复合污染物，从而影响水体生态群落结构，增加对人类和环境的风险，因此纳米SiO2如何更加有效去除已经受到国内外学者的广泛关注。目前超滤技术对于纳米颗粒的去除十分有效，然而膜污染直接导致膜通量下降、膜过滤阻力增加、频繁膜清洗，是限制其广泛应用的主要障碍。一般无机颗粒和天然有机物具有协同膜污染作用，相比常规无机粒子，纳米颗粒因其高比表面积，更加显著增加了表面作用力在膜污染中的作用。本研究运用xDLVO理论深入解析溶液化学条件对SiO2-NOM混合物超滤膜污染机理的影响，评价不同界面作用能（包括范德华界面作用能、双电子层界面作用能、极性作用能）对膜污染的贡献程度。通过不同膜污染阶段界面相互作用与膜污染趋势进行线性拟合，探究xDLVO理论解析SiO2-NOM混合物超滤膜污染机理的适用性。本研究为纳米颗粒和NOM混合物膜污染控制提供理论支持。
　　研究结果表明，在低溶液pH值、高离子强度和Ca2+浓度条件下，SiO2-NOM混合物超滤膜相对通量下降较快，膜污染加剧。SEM图像表征结果表明，在该溶液条件下污染膜表面沉积层更加紧密，相应的污染结果与不同溶液条件下相对通量下降趋势一致。另外，随着溶液pH值降低，离子强度和Ca2+浓度增加，物理清洗效率增加，化学清洗效率降低，相应可逆污染阻力增大，在该溶液条件下，膜-污染物和污染物-污染物界面吸引力增大或排斥性减小。通过分段过滤和清洗实验表明膜过滤过程不可逆污染主要发生在初期阶段，由于初期阶段膜污染主要发生在膜孔内，不容易通过物理清洗方法去除，相应的不可逆污染占比增大。
　　基于xDLVO理论计算，膜-污染物和污染物-污染物界面相互作用能中极性相互作用(AB)在总相互作用能中占主导作用，而范德华相互作用(LW)和静电相互作用(EL)对总界面相互作用贡献较小。在低溶液pH值、高离子强度和Ca2+浓度条件下，总界面相互作用随分离距离降低(d＜5nm)，表现出更大的吸引性相互作用，膜污染更加严重。不同溶液条件下初期和后期阶段膜污染趋势和界面相互作用能之间有良好的负线性相关，表明xDLVO理论可用来评价不同溶液条件下SiO2-NOM混合物超滤膜污染机理。对于膜污染后期阶段线性更强的相关系数，拟合斜率和截距较小，说明xDLVO理论更适合解析相对通量较小或膜污染发生在膜表面时膜污染机理。

目录

声明

摘要

1．1 纳米材料概述

1．1．1 纳米材料分类及应用

1．1．2 纳米颗粒对水环境的影响

1．1．3 纳米颗粒和NOM相互作用

1．1．4 纳米SiO2广泛应用及生物毒性

1．2 膜分离技术概述

1．2．1 膜分离原理及分类

1．2．2 膜污染概述

1．2．3 膜清洗及可逆性

1．3 xDLVO理论在膜污染研究中应用

1．3．1 xDLVO理论

1．3．2 xDLVO理论解析膜污染的有效性

1．4 纳米颗粒和天然有机物混合膜污染研究现状

1．5 研究目的与内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线

2．1 实验材料

2．2 xDLVO理论

2．2．1 热力学表面张力参数

2．2．2 界面相互作用能

2．3 膜和污染物理化性质表征

2．3．1 接触角测定

2．3．2 Zeta电位测定

2．3．3 图像表征

2．3．4 粒径测量

2．3．5 污染物浓度测定

2．4 膜污染与膜清洗实验

2．4．1 膜污染实验

2．4．2 物理和化学清洗实验

2．4．3 分段过滤与膜污染趋势

第3章 不同溶液条件下超滤膜污染与清洗结果分析

3．1 混合物超滤膜污染结果

3．1．1 相对通量下降情况

3．1．2 超滤过程中混合物截留率

3．1．3 膜污染图像表征结果

3．2 物理清洗与化学清洗结果

3．3 分段清洗实验

3．4 本章小结

第4章 膜-污染物和污染物-污染物界面作用能解析

4．1 膜和污染物表面理化性质

4．2 膜和污染物表面能参数

4．3 膜-污染物和污染物-污染物界面作用能

4．4 总界面作用能随分离距离变化规律

4．5 本章小结

第5章 界面相互作用能和膜污染行为相关性分析

5．1 膜污染指数与截留量

5．2 界面相互作用与膜污染趋势的线性拟合

5．3 本章小结

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

攻读学位期间论文发表情况