超声时域反射法在线监测纳滤膜复合污染

摘要

纳滤膜因其对二价离子和小分子有机物有很高的截留率，操作压力低于反渗透膜等优点，近年来在饮用水制备中发挥越来越大的作用，但天然水体中存在的盐类、胶体、天然有机物和微生物等都会对膜造成不同程度的污染。因此，开发一种无损的监测技术在线监测膜污染过程对于实现膜污染的有效控制具有重要的指导作用，特别是多种污染物存在时，实时监测这些污染物之间的相互作用和影响就显得尤为重要。本课题采用超声时域反射法(UTDR)在线监测纳滤膜硫酸钙/生物膜和无机硅溶胶/牛血清蛋白不同复合污染过程，深入探索了膜污染协同作用机理。
　　 首先，通过微生物培养技术在纳滤膜表面成功培养生物膜，然后通过UTDR实时在线监测硫酸钙在生物膜上的沉积过程。结果表明，复合污染致使纳滤膜通量下降变缓，钙离子截留率有一定提高。主要原因是，如果没有生物膜时硫酸钙会直接传递并附着在膜表面，滤饼层增加的渗透压作用明显，导致通量下降较快；但当生物膜存在时，其中的大颗粒可以作为硫酸钙结晶的晶核诱导其沉积，钙离子也可以与多糖等络合，减缓了滤饼层增加的渗透压作用。超声信号显示复合污染中污染层密度更大，而且是不断增大的动态过程。SEM图显示硫酸钙在生物膜中插入沉积，并且重量分析得知有生物膜时硫酸钙沉积量也多。
　　 其次，采用UTDR在线监测无机硅溶胶和牛血清蛋白复合污染的过程。结果显示，加盐后的硅溶胶污染更加稳定，而牛血清蛋白因为其粘度大、粒径小引起膜污染现象严重，两者复合污染后发现通量下降很快。超声信号显示复合污染比单一硅溶胶污染的污染层密度更大。这主要是由于牛血清蛋白吸附在硅溶胶表面，再加上粘度增大，使污染物堆积密度增大，更容易造成污染。AFM图也可以看出吸附牛血清蛋白后的硅溶胶颗粒变大，Zeta电位结果也显示复合后的电位比硅溶胶单一溶液的要低，与纳滤膜之间的斥力减小，更容易造成污染。
　　 总之，通过上述研究证明超声技术可以成功应用于复合污染监测，与传统评价方法（如通量、截留率、SEM图、AFM图、Zeta电位、重量分析等）有很好的对应关系。超声监测技术能够为膜污染监测和膜污染机理研究提供非常重要的量化手段。

目录

文摘

英文文摘

学位论文的主要创新点

第一章 前言

1.1 研究背景

1.2 研究目的与意义

1.3 研究内容

第二章 文献综述

2.1 膜分离技术概述

2.1.1 膜分离分类及特点

2.1.2 膜分离技术应用

2.1.3 膜污染与浓差极化

2.2 纳滤概述

2.2.1 纳滤

2.2.2 纳滤膜分离技术特点

2.2.3 纳滤膜的传质机理

2.2.4 纳滤技术应用

2.2.5 纳滤膜污染及其控制方法

2.3 膜污染

2.4 膜污染监测

2.4.1 传统膜污染分析方法

2.4.2 在线膜污染分析方法

2.5 超声监测技术

2.5.1 超声波基本原理

2.4.2 超声时域反射技术(UTDR)

2.5.3 UTDR在膜分离领域应用

第三章 超声在线监测纳滤生物膜和硫酸钙复合膜污染

3.1 本章内容

3.2 实验部分

3.2.1 实验药品和仪器

3.2.2 超声监测设备

3.2.3 实验方法与步骤

3.2.4 结果与讨论

3.3 本章小结

第四章 超声在线监测纳滤无机硅溶胶与牛血清蛋白复合膜污染

4.1 研究内容

4.2 实验部分

4.2.1 实验药品与仪器

4.2.2 实验方法与步骤

4.2.3 结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 结论及下一步研究建议

5.1 结论

5.2 下一步研究建议

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢