膜法饮用水工艺中KMnO4对膜材料性能及工艺稳定性影响研究

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以有机高分子材料为核心的低压膜法饮用水净化工艺被认为是21世纪最具前景的饮用水净化保障技术。它以出水水质好、过滤效率高、占地面积小、自动化程度高等优点引起了国内外研究学者的广泛关注。为了强化藻类、有机污染物的去除效果,提高后续混凝及膜过滤工艺的高效运行,高锰酸钾作为一种绿色、经济、方便的预氧化剂投加到膜过滤工艺的前端。然而,高锰酸钾在控制膜污染、提高膜通量的同时,对膜净水工艺中膜材料的性能及工艺稳定性的影响尚未有系统、深入的研究。从静态浸泡和动态过滤两方面入手,着重考察了高锰酸钾对聚偏氟乙烯(PVDF)改性中空纤维膜物化性能及过滤性能的影响。首先,在静态条件下,考察了高锰酸钾(KMn O4)在pH分别为5、7、9条件下对PVDF膜材料表面形貌、亲疏水性、机械强度、Zeta电位、官能团、纯水通量及膜污染行为的影响;实验结果表明:在不同pH条件下,KMn O4对PVDF膜表面的改性层及分离层造成了破坏,从而导致了膜表面不同的形貌结构、化学成分、亲疏水性及抗污染性的演变。酸性条件下,由于高锰酸钾的氧化性,PVDF膜材料的C-H键遭到破坏,引入羟基(-OH),继续氧化生成了醛类和酮类的羰基(C=O);而在碱性条件下,膜表面发生了脱氟化氢反应,生成了羰基(C=O)。膜污染实验表明,膜分离界面的物化性质变化严重影响了膜污染行为,随着KMn O4溶液pH降低和接触时间的增加,膜表面不可逆污染越来越严重。其次,在pH为7、室温条件下搭建了在线预氧化+混凝+超滤膜过滤系统,研究了高锰酸钾投加浓度分别为0.3、0.5、1.0mg/L工况下,PVDF膜材料表面形貌、亲疏水性、Zeta电位、官能团、通量及膜污染行为的演变及对膜工艺运行稳定性的影响。研究结果表明,与混凝+超滤膜过滤系统相比,KMn O4预氧化剂的投加在运行的前期可以改善膜出水水质、减缓膜污染,但是未完全反应的KMn O4会对改性的PVDF膜表面的改性层及分离层造成破坏,导致膜表面的形貌结构、化学成分、亲疏水性及荷电性能的变化。过滤-反洗实验表明,随着KMn O4投加量的增加,膜化学清洗周期逐渐缩短,膜过滤工艺的稳定性逐渐变差。此研究为预氧化+膜法饮用水过滤工艺中KMn O4对PVDF膜表面物化性能及工艺稳定性影响提供了数据参考。
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