微量苯胺类化合物在纳滤膜过程中的分离机理研究

摘要

纳滤膜分离技术应用于中水回用成为研究的热点，尤其是在环境微污染水的处理工艺中。但是目前关于环境微污染有机物在纳滤膜的分离过程尚未形成明确机理。国内外关于苯胺类化合物水溶性微量有机物在纳滤膜过滤过程中的分离机理很少有相关的研究报道。因此，本文着重于微量苯胺类化合物的纳滤分离机理的研究，为优化纳滤膜的微污染有机物的分离工艺提供数据支持。
　　 膜对有机污染物的吸附性与不可逆污染具有正相关性，因此，本文通过静态吸附装置，分析了苯胺类化合物在纳滤膜中的单面等温吸附机理。实验采用错流过滤方式，确定了纳滤膜的最优操作条件、基本性能参数及主要影响因素;通过流动电位微型装置研究纳滤膜被苯胺类化合物污染前后膜表面的流动电位、Zeta电位变化趋势，傅里叶红外光谱(FTIR)、接触角仪、扫描电镜(SEM)测定纳滤膜污染前后膜表面官能团、接触角及形貌特征来分析苯胺类有机物对纳滤膜的污染特征;通过过滤实验数据进行非平衡热力学基础过滤模型拟合和Spiegler-Kedem(S-K)及空间位阻联合模型验证，分析微污染有机物的纳滤膜分离机理。
　　 本文得到以下主要结果:
　　 (1)三种纳滤膜对苯胺类化合物中的吸附符合Freundlich等温吸附模型，以多层吸附为主。经过sPss相关性分析得出，膜参数与溶质吸附量无关;溶液辛醇系数与溶质吸附量显著相关，并且溶质亲水性作用大于膜表面亲水性。
　　 (2)溶液膜通量随着操作压力、流速均增大而增大;溶液截留率则随着操作压力的增大先上升后下降，随着流速增大而减小;膜的筛分效应明显;溶质的辛醇系数、解离常数是影响膜通量和截留率的主要因素。
　　 (3)在错流过滤实验中膜表面吸附效果微弱，实际工艺中可以忽略不计。溶液膜通量主要受溶质的亲水性作用和截留分子量的筛分效应共同作用;截留率主要受膜表面亲水性作用和截留分子量的筛分效应共同作用。溶质解离常数越大，膜表面的荷电性能越大。
　　 (4)三种纳滤膜表面均为负电荷。流动电位绝对值大小和操作压力均成正比，Zeta.电位则成反比。电解质溶液的截留率与NFX膜表面的荷电性能成正比。NFX膜表面的荷电性能不受苯胺类化合物污染的影响。
　　 (5)利用非平衡热力学基础模型计算所得出的溶质渗透率和截留系数数值偏小，并不能适用于微量苯胺类化合物的截留机理。利用S-K模型所得出的溶质参数与实验现象相吻合。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 苯胺类化合物的概况

1．1．1 苯胺类化合物处理技术

1．1．2 苯胺类化合物中的处理技术难点

1．2 纳滤膜技术概述

1．2．1 纳滤膜的基本性能

1．2．2 纳滤膜的荷电性能

1．2．3 纳滤膜性能的影响因素

1．2．4 纳滤膜技术优点及存在的主要问题

1．3 纳滤膜荷电性能吸附机理的研究现状

1．4 流动电位法用于膜表面荷电性能表征的研究状况

1．5 纳滤膜主要分离模型研究状况

1．5．1 纳滤膜过程中的主要分离模型

1．6 纳滤膜分离微污染有机物的研究状况

1．7 本课题研究的主要创新点、目的和意义

1．7．1 主要创新点

1．7．2 本论文研究的目的和意义

第2章 实验材料、研究内容及方法

2．1．实验材料

2．1．1 膜材料

2．1．2 实验试剂

2．1．3 实验仪器

2．2 实验装置

2．2．1 静态吸附实验装置

2．2．2 纳滤错流过滤装置

2．2．3 流动电位测定装置

2．3 实验内容

2．3．1 静态吸附实验

2．3．2 动态过滤实验

2．3．3 模型拟合验证

2．3 实验方法

2．3．1 静态吸附测定方法

2．3．2 膜通量与截留率实验方法

2．3．3 纳滤膜截留分子量实验方法

2．3．4 纳滤膜平均膜孔径实验方法

2．3．5 纳滤膜表面流动电位测定方法

2．4 分析方法

2．4．1 傅里叶红外光谱分析(FT-IR)

2．4．2 扫描电镜(SEM)对污染前后膜面形貌观察的定性分析

2．4．3 接触角法测定膜材料表面张力及亲疏水性分析

2．4．4 Spearman秩相关系数分析方法

2．5 数学模型

2．5．1 采用Langmuir、Freundlich模型进行静态吸附等温线拟合

2．5．2 非平衡热力学基础模型研究

2．5．3 Spiegler-Kedem(S-K)模型验证分析

第3章 静态吸附实验结果及分析

3．1 引言

3．2 静态吸附实验及等温线拟合分析

3．2．1 吸附量计算方程

3．2．2 拟合模型

3．3 吸附量和膜参数之间Spearman秩相关系数(rs)

3．3．1 膜材料性能参数

3．3．2 吸附量和膜参数之间Spearman秩相关系数(rs)

3．4 吸附量和溶质参数之间Spearman秩相关系数(rs)

3．4．1 溶质性质参数

3．4．2 吸附量和溶质参数之间Spearman秩相关系数(rs)

3．5 本章小结

第4章 膜通量及截留率影响因素研究

4．1 引言

4．2 操作条件对膜通量及截留率的影响

4．2．1 三种纳滤膜在不同压力下的纯水渗透系数

4．2．2 操作压力对苯胺类化合物膜通量及截留率的影响

4．2．3 溶液流速对苯胺类化合物膜通量及截留率的影响

4．2．4 溶质浓度对苯胺类化合物膜通量及截留率的影响

4．3 膜自身性质对膜通量及截留率的影响

4．3．1 压实效应对膜通量及截留率的影响

4．3．2 三种纳滤膜的截留分子量测定

4．3．3 膜材料表面官能团对膜通量及截留率的影响

4．3．4 膜材料表面接触角对膜通量及截留率的影响

4．4 溶质性质对膜通量及截留率的影响

4．4．1 苯胺类化合物的物化性质

4．4．2 膜通量、截留率与不同溶质性质参数之间Spearman秩相关性

4．5 膜表面荷电性能对膜通量及截留率的影响

4．5．1 实验原理、装置及方法

4．5．2 测定结果与分析

4．6 影响膜通量及截留率的主要因素分析

4．7 本章小结

第5章 分离模型验证与分析

5．1 引言

5．2 非平衡热力学基础过滤模型分析

6．2．1 三种纳滤膜的水渗透率(Lp)的计算

6．2．2 溶质渗透率(ω)及截留系数(σ)的计算

5．3 Spiegler-Kedem (S-K) 模型验证分析

5．3．1 模型计算方程及步骤

5．3．2 三种纳滤膜传质系数计算过程

5．3．3 三种纳滤膜膜孔径的计算

5．3．4 四种苯胺类化合物的粒径计算

5．3．5 溶质特征、膜分离特性之间的关系分析

5．4 本章小结

第6章 结论和展望

6．1 主要结论

6．2 待解决的问题和未来展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的学术成果

致谢