MBFR中疏水性PVDF中空纤维膜表面改性及耐污染性能研究

摘要

膜生物膜反应器(Membrane Biofilm Reactor，MBfR)是将高效膜曝气与生物处理相结合的一种新型水污染控制技术，在MBfR中，膜作为氧气传质及生物膜附着的双重载体，其氧气传质性能、稳定性能、耐污染性能、生物亲和性能等对系统的快速启动及稳定运行具有至关重要的作用，目前适用于MBfR的商品化膜尚不多见。
　　论文针对MBfR研究中疏水性微孔膜供氧能力不足、耐污染性较差等问题，在课题组前期研究的基础上，以多巴胺(Dopamine，DOPA)为单体，利用自聚合法对课题组自制疏水性PVDF中空纤维微孔膜进行表面改性，采用响应曲面法以氧传质性能为主要评价指标优化表面改性条件，结果表明:通过投加氧化剂高碘酸钠(S)，可加速聚多巴胺(Poly-Dopamine，PDA)在膜表面上的沉积速率，大大缩短涂覆时间。当最佳表面改性条件DOPA浓度0.85g/L，n(S)∶n(DOPA)=1.5，涂覆时间6h，热处理温度40℃时，多巴胺改性膜具有与PVDF原膜相似的机械性能;其氧气传质特性显著优于原膜，氧总转移系数（KLa）提高至原膜的2.14倍（由0.78×10-2min-1提高至1.67×10-2min-1），此外膜表面静态接触角及形貌监测结果表明，改性膜表面亲水性提高（接触角自原膜76.7°降至36.3°），粗糙度增加（由190.33(A)增加至355.91(A)）。通过投加氧化剂S，可以加速DOPA的自聚合氧化过程，提高PDA在膜表面的沉积速率，提高PDA聚合层在膜表面的均匀性、稳定性及多巴胺改性膜的化学稳定性，在极性溶液丙酮、强酸(HClpH1.0)、强碱(NaOH pH13.0)三种极端环境中，通过投加氧化剂S，PDA聚合层的稳定性分别提高了96.5％，85.1％与48.8％。此外，最佳表面改性条件下多巴胺改性膜化学稳定性实验表明，多巴胺改性膜在极性溶液丙酮、强酸(HClpH1.0)、强碱(NaOH pH13.0)三种极端环境及纯水pH7.0常规使用环境中巴胺改性膜具有较好的化学稳定性，但耐碱性较弱。以牛血清白蛋白(BSA)、腐殖酸(HA)、海藻酸钠(SA)为典型污染物，结合XDLVO理论评价原膜、改性膜与三种污染物及污染物之间在不同pH值(pH4.0、7.0、10.0)下界面相互作用。实验表明，在pH为4.0的条件下，三种污染物与原膜之间的界面作用能均为负值，表现为吸引力;随pH升高，作用能逐渐增大至正值，表明随着pH的升高，污染物与膜之间的排斥力逐渐增大，从而减缓膜污染，改性膜抗污染性能优于原膜，SA在膜上的吸附量最多，HA其次，BSA最少。通过膜污染实验证明，XDLVO理论的预测与污染实验具有很好的相关性，可以应用在MBfR系统膜污染机制研究。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1．膜生物膜反应器(MBfR)

1．1．1 MBfR发展与应用

1．1．2 MBfR原理及特点

1．1．3 MBfR工艺形式

1．1．4 MBfR膜材料的选择

1．2．膜表面改性技术

1．2．1．自聚合

1．2．2．界面聚合

1．2．3．表面接枝

1．3．DOPA在膜表面改性中的应用

1．3．1．DOPA及其氧化自聚合原理

1．3．2．DOPA在膜表面改性中的研究进展

1．4．MBfR中的膜污染

1．4．1．膜污染来源与分类

1．4．2．XDLVO理论及其应用

1．5．研究目的和内容

1．5．1．研究目的

1．5．2．研究内容

第二章 MBfR中疏水性PVDF中空纤维膜DOPA表面改陛研究

2．1．实验介绍与表征

2．1．1．实验材料与试剂

2．1．2．实验仪器

2．1．3．实验方法

2．1．4．测试与表征方法

2．2．表面改性条件对于多巴胺改性膜性能影响研究

2．2．1．涂覆时间对多巴胺改性膜性能影响

2．2．2．氧化剂投加对膜改性过程的影响

2．2．3．DOPA浓度对多巴胺改性膜性能影响

2．2．4．热处理温度对多巴胺改性膜性能影响

2．3．响应曲面法优化多巴胺改性膜表面改性条件

2．3．1．响应曲面实验设计与实验结果

2．3．2．响应曲面优化膜表面改性条件

2．4．最佳表面改性条件下多巴胺改性膜性能特征

2．4．1．多巴胺改性膜表面化学成分组成

2．4．2．多巴胺改性膜表面形貌特征

2．4．3．多巴胺改性膜其他基本性能

2．5．本章小结

第三章 多巴胺改性膜化学稳定性能研究

3．1．实验介绍与表征

3．1．1．实验材料与试剂

3．1．2．实验仪器

3．1．3．实验方法

3．1．4．测试与表征方法

3．2．多巴胺改性膜化学稳定性能分析

3．2．1．氧化剂S投加对于多巴胺改性膜PDA聚合层稳定性影响

3．2．2．最佳表面改性条件下多巴胺改性膜化学稳定性

3．3．本章小结

第四章 多巴胺改性膜耐污染性能研究

4．1．实验介绍与表征方法

4．1．1．实验材料与试剂

4．1．2．实验仪器

4．1．3．实验方法

4．1．4．测试与表征方法

4．2．XDLVO理论解析多巴胺改性膜耐污染性能

4．2．1．不同pH条件下原膜及改性膜基本特性

4．2．2．原膜及多巴胺改性膜BSA污染过程界面作用能分析

4．2．3．原膜及多巴胺改性膜HA污染过程界面作用能分析

4．2．4．原膜及多巴胺改性膜SA污染过程界面作用能分析

4．2．5．膜污染实验

4．3．本章小结

第五章 结论与展望

5．1 实验结论

5．2．实验展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢