超声波在线监测纳滤膜无机物和微生物污染研究

摘要

纳滤和反渗透膜分离技术在解决水资源短缺和水质净化方面发挥着越来越重要的作用。但在膜分离过程中，膜污染严重影响了膜的分离效果，限制了膜分离技术推广应用。目前，膜分离中微生物污染及其与多种物质复合膜污染的研究正引起膜界的广泛关注，发展一种无损的监测技术在线监测早期微生物与多种物质复合膜污染过程对于实现膜污染的有效控制具有重要地指导作用。本文采用超声时域反射法(UTDR)在线监测纳滤膜无机污染以其与微生物复合污染过程，探索膜污染机理。
　　 实验采用中心频率为10 MHz的视频扫描传感器分别监测料液为1.2g/L和2.4g/LCaSO4溶液纳滤膜污染过程。结果表明，膜通量随污染时间不断下降，尔后趋于平稳。而且，在高浓度下，膜通量下降更快、更低。超声监测结果显示，在不饱和浓度下，超声信号在和振幅时域范围变化或移动较小；而在饱和浓度下，超声信号振幅变化较大，在时域上移动也较大。这说明超声监测技术可以辨别不同条件下的纳滤膜污染过程。此外，SEM分析表明随着污染时间的增加，CaSO4在膜表面沉积的晶体逐渐变大，并有增长的趋势；有趣的是高浓度下CaSO4晶在膜表面的结晶更小。
　　 将UTDR用于监测纳滤过程中不同浓度CaSO4与细菌复合膜污染过程。其中，料液分别为1.0g/L和1.5g/LCaSO4溶液，细菌由湖水培养而得，其浓度为5×106cells/ml。结果表明，与单纯CaSO4污染过程相比，在污染前期加入细菌的复合污染过程膜通量下降要缓慢，截留率也较高。超声监测和SEM分析发现，对于低浓度纳滤过程，加入细菌后其膜表面污染层较厚实而疏松，对高浓度纳滤过程，加入细菌后污染层变得厚而致密。这说明细菌的加入能够加速CaSO4的沉积。
　　 进一步采用UTDR研究纳滤过程中CaCO3与细菌复合膜污染过程。其料液为1.8mmol/L CaCO3溶液，细菌浓度为5×10％ells/ml。结果发现，加入细菌条件下膜通量下降缓慢。重量法和超声监测结果表明，在细菌存在下膜表面形成的CaCO3垢质层厚度较薄。SEM研究结果表明，细菌的加入抑制了正六方体方解石的形成，而优先生长松球形的球霞石。这些研究证明超声监测结果与膜通量和SEM分析结果具有一致性。
　　 总之，上述研究结果表明超声监测技术在膜污染监测和膜污染机理研究中具有非常重要的作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

学位论文的主要创新点

第一章 概述

1.1 膜分离技术

1.2 膜污染

1.3 研究目的

1.4 研究内容

第二章 文献综述

2.1 膜分离过程

2.1.1 压力驱动膜过程

2.1.2 纳滤

2.2 浓差极化和膜污染

2.2.1 浓差极化

2.2.2 膜污染

2.2.3 膜污染检测

2.3 分离膜微生物污染

2.3.1 生物膜形成

2.3.2 生物污染模型

2.3.4 膜生物污染的危害

2.3.5 微生物污染控制

2.4 超声监测技术

2.4.1 超声监测基本原理

2.4.2 超声时域反射法

2.4.3 UTDR在膜分离领域的应用

第三章 超声波在线监测纳滤膜CaSO4污染

3.1 本章内容

3.2 实验部分

3.2.1 实验药品及仪器

3.2.2 超声监测设备

3.2.3 纳滤膜系统和超声监测装置

3.2.4 实验方法和程序

3.2.5 测试和计算

3.3 结果与讨论

3.3.1 纳滤膜通量

3.3.2 纳滤膜SEM观察

3.3.3 重量分析

3.3.4 超声信号分析

3.4 本章小结

第四章 超声波在线监测纳滤膜CaSO4与微生物污染

4.1 本章内容

4.2 实验部分

4.2.1 实验药品及仪器

4.2.2 纳滤膜系统和超声检测装置

4.2.3 实验方法和程序

4.2.4 测试和计算

4.3 结果与讨论

4.3.1 1.0g/LCaSO4溶液的纳滤过程

4.3.2 1.5g/L CaSO4溶液的纳滤过程

4.4 本章小结

第五章 超声波在线监测纳滤膜CaCO3与微生物污染

5.1 本章内容

5.2 实验部分

5.2.1 实验药品及仪器

5.2.2 纳滤膜系统和超声检测装置

5.2.3 实验方法和程序

5.3 结果与讨论

5.3.1 膜通量

5.3.2 差动信号分析

5.3.3 膜表面SEM分析

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

发表论文情况和参加科研情况说明

致谢