腐殖酸微滤膜污染中界面作用力的定量解析及系统阐释

摘要

膜污染现象是制约微滤技术发展的重要因素。虽然微滤膜污染影响因素众多，污染过程纷繁复杂，但膜污染的实质则在于污染物与膜表面之间的界面相互作用。本研究利用extendedDerjaguin-Laudau-Verwey-Overbeek(xDLVO)理论对不同pH值条件下腐殖酸微滤膜污染过程中的界面作用力进行定量解析，评价不同界面作用力（范德华作用力、双电层作用力以及极性作用力）对膜污染的贡献程度，探究pH值影响腐殖酸微滤膜污染的主控机制。在对界面作用力进行定量解析的基础上，分别对不同污染条件下腐殖酸微滤膜污染趋势与界面作用能UTOTmlf(或UTOTflf）之间的线性关系进行定性分析与定量分析，从而更为全面、系统的对xDLVO理论描述腐殖酸微滤膜污染行为的适用性作出评价。
　　研究结果表明，极性(AB)作用力作为一种微距作用力，对腐殖酸微滤膜污染的贡献最大且是pH值影响腐殖酸微滤膜污染的主控因素。微滤膜-腐殖酸界面作用能UTOTmlf以及腐殖酸-腐殖酸界面作用能UTOTflf随着pH值的降低而较小，相同pH值下，疏水性膜-腐殖酸界面作用能＜腐殖酸-腐殖酸界面作用能＜亲水性膜-腐殖酸界面作用能。
　　对于疏水性膜与亲水性膜，其整个过滤过程中的出水通量均随着溶液pH值的降低而降低，物理清洗效率同样随着pH值的降低而减小，而化学清洗效率随着pH值的降低而增大。在过滤初始阶段中，界面作用能较小的疏水性膜的出水通量低于亲水性膜;而在同为腐殖酸-腐殖酸界面作用能控制的过滤后期阶段，疏水性膜的出水通量仍然小于亲水性膜。对于疏水性膜，较小的膜-腐殖酸界面作用能使其在初始阶段中的通量下降严重于后期阶段;对于亲水性膜，虽然膜-腐殖酸界面作用能较大，但亲水性膜初始阶段中的通量下降仍比后期阶段中的严重。因此，xDLVO理论可以对不同pH值下腐殖酸微滤膜污染行为变化趋势做出准确定性预测，但在预测两种膜以及两个过滤阶段的污染行为时，需要考虑到其他因素影响的显著程度。
　　不同pH值下疏水性膜与亲水性膜在过滤初始阶段以及后期阶段中的膜污染趋势与界面作用能之间具有良好的负线性相关性，说明xDLVO理论可以有效描述不同pH值下腐殖酸微滤膜污染行为。对于疏水性膜与亲水性膜，其初始阶段中膜污染趋势-界面作用能拟合直线斜率值高于后期阶段;在同一过滤阶段中，疏水性膜的膜污染趋势-界面作用能拟合直线斜率值要高于亲水性膜，但两种膜拟合直线斜率值的差距明显小于两个过滤阶段拟合直线斜率值的差距。不同的拟合直线斜率数值表明，腐殖酸微滤初始阶段中膜污染趋势对界面作用能的敏感度更高，疏水性膜的污染趋势对界面作用能的敏感度高于亲水性膜。由于当膜污染发生在膜孔内部以及出水通量较大时，膜污染趋势对界面作用能的敏感度更高，腐殖酸微滤初始阶段中的内部膜孔堵塞以及较大的出水通量是该阶段具有较高拟合直线斜率的主要原因。