纳滤膜对水中典型全氟化合物的去除特性和机理研究

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全氟化合物(PFCs)是一类持久性有机污染物,具有极强的稳定性,难以自然降解,广泛存在于自然水体中。由于其具有生物蓄积性、内分泌干扰性和一些其他潜在的毒性,对生态环境以及人体健康构成了极大的威胁。纳滤膜孔径介于超滤膜和反渗透膜的孔径之间,其表面通常荷电,对分子量介于200~1000 Da的小分子物质具有良好的去除效果,纳滤技术是目前去除水中的PFCs的重要途径之一。全氟辛酸(PFOA)是环境中存在最多、分布最广泛的PFCs之一。本研究选取PFOA作为典型的PFCs,考察了PFOA浓度、溶液p H值、离子强度、钙镁离子及其浓度对PFOA去除效果的影响;选用海藻酸钠(SA)、牛血清蛋白(BSA)作为典型有机物,分别考察了有机物、有机物与无机离子共存等因素对纳滤膜去除水中PFOA的影响。主要得出以下研究结果:(1)聚酰胺纳滤膜对水中的PFOA具有良好的截留效果。这是由于PFOA的分子量大于纳滤膜的截留分子量,以及PFOA分子与纳滤膜膜面之间存在静电斥力,而且纳滤膜对PFOA具有一定的吸附能力。因此,在筛分作用、静电排斥作用和吸附作用的共同作用下,研究使用的纳滤膜对PFOA具有良好的截留效果。(2)纳滤膜对PFOA的去除率随着水中PFOA浓度的增大而增加,这是因为PFOA浓度增加,会加剧膜孔的堵塞,强化了纳滤膜的筛分作用。增大的溶液p H值有利于提高纳滤膜对水中PFOA的去除率,这是由于溶液p H值的提高,导致膜面所带负电量增多,增强了纳滤膜对PFOA的静电排斥作用。(3)溶液的离子强度对PFOA的去除率有较为显著的影响,PFOA的去除率随溶液离子强度的增大而提升。这是由于阳离子能中和膜孔内的负电荷,使得膜孔发生收缩,提高了纳滤膜的筛分能力。(4)纳滤膜对PFOA的去除率随着溶液中Ca2+、Mg2+浓度的增大而增加。这主要是因为Ca2+、Mg2+可在PFOA分子之间形成主体架桥作用和在PFOA与纳滤膜之间形成表面架桥作用,前者导致目标去除物的体积增大,更容易被纳滤膜截留,而后者使得一部分PFOA被固定在膜表面而被去除,这两种作用均提高了PFOA的去除率。(5)当溶液中含有机物时,随着过滤时间的延长,膜表面形成有机污染层,不仅加强了纳滤膜的筛分能力,而且增加了膜面带电量,加强了静电排斥作用,此外一部分PFOA因被有机物吸附从而得以去除,以上作用共同提高了纳滤膜对PFOA的去除率。(6)当有机物与无机离子共存时,纳滤膜对PFOA的去除率高于有机物单独存在时的去除率。而且与Na+相比,有机物与Ca2+或Mg2+共存的条件下,纳滤膜对PFOA的去除率有更为显著的提升。这是因为二价的Ca2+和Mg2+具有更强的电中和能力,并且可以与有机物发生络合作用,导致膜面的有机污染层更加厚实,膜的筛分能力更强;而且Ca2+和Mg2+可以在PFOA分子之间以及PFOA和有机物之间形成主体架桥作用,在PFOA与膜面之间形成表面架桥作用。
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