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我国重化工产业在取得高速发展的同时,大量消耗宝贵的水资源,并排放性质复杂的工业废水。工业废水循环利用已成为解决我国水资源短缺与水环境污染问题的重要途径。影响工业废水回用的关键是水中的无机盐。纳滤脱盐具有能耗低、水通量大等优点,是保障工业废水循环利用的重要技术。但是,由于实际工业废水中往往存在污染物,易引起纳滤膜的污染,进而导致膜通量下降,并且影响无机离子的分离,制约了纳滤应用和推广。 为了减轻纳滤膜应用过程中的膜污染,提高工业废水纳滤处理的处理效率,减少纳滤膜的清洗频率,本文在详细分析国内外同行研究成果基础上,重点选取三种有机物作为模型污染物,考察它们对纳滤膜的污染机制与影响规律,提出缓解纳滤膜有机物污染的方法。主要内容和成果如下: (1)在分析腐植酸(HA)、牛血清蛋白(BSA)以及溶菌酶(LYS)在水体中的存在形式,以及不同pH、离子强度以及Ca2+对于污染物存在形式影响的基础上,从膜通量和离子分离度两个方面研究了单一有机酸或蛋白质对膜污染的机制。结果表明,pH和离子强度的改变对HA和BSA单一体系污染程度趋势变化的影响与LYS体系的污染程度趋势变化不同;Ca2+存在加剧HA和BSA对纳滤膜的污染。 (2)通过比较不同条件下复合有机污染体系(BSA+HA以及LYS+HA)在纳滤膜应用中的污染行为,研究模拟实际体系中的纳滤膜污染机制。研究表明:对于复合有机污染体系,最严重的污染均发生在接近污染物等电点时的pH值,并且离子强度的增大有利于减轻膜污染;Ca2+存在对BSA+HA体系污染贡献大于LYS+HA体系。 (3)为深入研究污染机理,通过原子力显微镜和XDLVO理论模型,从分子间作用力和界面能的角度分析、对比单一(复合)有机污染体系的污染机制差异。研究表明,污染物和新膜(PA)之间的界面作用力与纳滤膜初始阶段膜通量的衰减速率成正线性相关;污染物之间的界面作用力不仅可以表征污染物在对应条件下的聚合程度;也可以对纳滤膜的污染程度进行预测。XDLVO理论模型结果显示,无论是单一还是复合有机体系,极性界面能(GAB)要强于非极性界面能(GLw)。 (4)为研究纳滤膜分离不同价态无机离子可行性,以及提高离子分离度,减少能耗。本文选取了四种商用纳滤膜(DL、DK、NF90以及NF1)对硫酸根(SO42-)和氯离子(Cl-)的分离效率进行实验,并择优考察了溶液性质和操作条件对膜分离性能的影响。结果表明,DL膜相对于其他三种纳滤膜不仅可以有效分离Cl-和SO42-,并且具有较高膜通量。降低溶液pH、增强离子强度以及对水体进行预软化有助于提高纳滤膜的离子分离效率。但是,离子强度的增加会导致膜通量呈指数下降。流速和压力的增大,可以在一定幅度上提高膜通量,却不利于离子的分离。 有机污染物及相应的污染对于膜无机离子分离的影响研究表明,单一有机污染物和复合有机污染物都会影响纳滤膜的离子分离能力。在实验初始阶段,不同条件下的有机物带有不同电荷,共离子作用影响Cl-和SO42-的分离。污染发生后,膜表面污染滤饼层的形成以及污染膜表面结构、电位的改变,致使离子分离发生变化。 (5)为缓解膜污染、延长膜使用寿命,对污染膜的清洗条件进行优化实验。根据膜污染机制,采用Box-Behnken设计法优化清洗条件。通过实验因素和水平多元化拟合,得到膜通量恢复率和离子分离度恢复率对清洗时间、流速、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)溶液浓度以及清洗剂pH的多项回归预测模型。得出最佳操作条件:清洗时间为10min、流速为0.27 m/s、SDBS的浓度为4.8%以及pH在8.2时,膜清洗的效果最好,清洗后膜通量和离子分离度分别是初始值的102.5%和114%。