面向有机废水处理的新型纳滤膜制备与性能研究

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发展高效低耗的有机废水处理技术对于节能减排和环境保护具有重要意义。纳滤是一种压力驱动的膜分离过程,能够有效分离水体中分子量大于200 Da的有机物,具有效率高、能耗低、污染少、设备易于操作维护等优势,在有机废水处理与资源化方面具有广阔的应用前景。常规纳滤膜主要由多元胺与酰氯通过界面聚合技术制备而成,虽然具有较好的有机物去除性能,但仍存在膜渗透通量低、运行过程中膜面污染以及易被活性氯氧化破坏等诸多不足。纳滤膜分离层的化学特性和微观结构是影响其分离和使用性能的关键。基于此,本文从纳滤膜分离层结构设计出发,以氮化碳量子点(CNQD)、天然多酚等材料为构筑单元,通过界面聚合、共沉积等方法,构建具有高通量、自清洁、耐氯等功能的新型复合纳滤膜并用于水中有机物脱除研究,以实现纳滤膜分离层的高性能化。具体内容和主要结论如下:(1)基于量子点独特的纳米结构和光催化活性,以CNQD为水相单体,1,3,5-苯三甲酰氯(TMC)为有机相单体,通过界面聚合法制备了具有自清洁功能的氮化碳量子点光催化纳滤膜(CNQD/PA)。研究发现随着CNQD浓度的增加,CNQD/PA纳滤膜的通量先提高后降低,有机物和无机盐的截留率先降低后升高。CNQD上特殊的三角孔结构有利于提高透水性能,使得在CNQD浓度为1 wt%时,纳滤膜的通量达到98.8L·m-2·h-1,对刚果红(CR)、牛血清蛋白(BSA)、腐殖酸(HA)等负电性有机物的截留率仍保持在92%以上。CNQD具有的良好光催化活性使得纳滤膜在CNQD浓度为1wt%时,在BSA、HA、CR污染体系中的通量恢复率(FRR)分别为93.2%、94.8%、96%,此外,三次循环污染-可见光照射后FRR仍保持在90.2%以上,同时光照前后复合纳滤膜的分离性能保持不变,具有良好的光催化自清洁性能。(2)针对聚酰胺纳滤膜易受活性氯侵蚀的问题,以CNQD为水相单体,异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为有机相单体,二丁基二月桂酸锡(DBTL)为催化剂,通过界面聚合法制备了基于量子点的耐氯聚脲纳滤膜(CNQD/SPUA)。研究发现CNQD的三角孔结构及片层结构使得生成的聚脲分离层选择性透过小分子水,截留大分子有机物,在CNQD浓度为3.5 wt%,IPDI浓度为5.5 wt%,界面聚合反应时间为2 min,DBTL浓度为0.6 wt%时,CNQD/SPUA纳滤膜的分离性能最优异,通量为97.8 L·m-2·h-1,对CR、BSA和HA等大分子负电性有机物的截留率均在94%以上。此外,聚脲具有的优异化学稳定性和良好耐氯性能够避免氯的侵蚀破坏,与CNQD上三嗪环结构的空间位阻效应阻碍了活性氯的扩散,共同作用使得纳滤膜具有良好的耐氯性,能够承受5000 ppm的次氯酸钠(Na Cl O)浓度,在长达96 h的氯浸泡过程中复合纳滤膜的渗透通量提高了4.5%,CR截留率基本保持不变,具有优异的长期耐氯性。(3)以天然多酚槲皮素和多巴胺为构筑单元,采用液相共沉积法制备高通量槲皮素-聚多巴胺复合纳滤膜(DA/QC)。研究发现槲皮素上的刚性结构使分离层结构更为疏松,显著提高了纳滤膜的透水性能,且染料截留率始终保持在92%以上;同时槲皮素和多巴胺共沉积有效抑制了多巴胺聚集颗粒的形成,赋予膜表面更好的均匀性。当多巴胺与槲皮素的质量比为1:1,沉积时间为16 h时,纳滤膜达到538.5 L·m-2·h-1的水通量和99.6%的CR截留率,CR/Na Cl选择性则达到58.7,具有优异的染料脱盐性能和长期运行稳定性。
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