面向高含盐废水处理的高性能复合正渗透膜的研究

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高含盐废水是指在工业生产、食品加工厂、冶金、印染及石油、天然气开采过程中产生的含有机物和总溶解固体TDS含量高的废水。传统处理高盐油气废水的主要办法有物理法、化学法以及生物法等方法,但由于能耗高、处理效果差、自动化程度低以及占地面积大等原因,新的节能高效处理方法——正渗透(Forward Osmosis,FO)技术正逐渐被人们所重视。  正渗透技术是一种基于扩散作用,利用溶液间的渗透压差作为驱动力,使溶剂和一部分溶质透过正渗透膜而截留下其他的成分的新型膜分离技术,与其他传统方法相比较,正渗透具有低操作压力、低污染性以及截留率高、占地面积小等优点。正渗透膜是正渗透膜过程体系中的关键组成。在处理高含盐废水过程中,正渗透膜性能受控于内浓差极化(Internal Concentration Polarization ICP)。本文通过将亲水添加剂方法和双层刮膜法相结合,有效改善了正渗透膜内浓差极化,极大提高了正渗透膜水通量,并在此基础上进一步确认了聚乙二醇(PEG)在正渗透膜制备过程中的最佳添加比例,研究了PEG含量的不同对正渗透膜性能的影响;同时,在构建膜孔表面亲水而内部骨架疏水从而维持膜机械强度这一思路的引导下,应用双亲嵌段聚合物F127对正渗透膜进行了共混改性实验,主要研究结果如下:  (1)以磺化聚醚醚酮(SPEEK)为亲水添加剂,在双层刮膜法的修饰下成功制备得到了亲水高开孔复合正渗透膜,并将其应用于高含盐模拟废水的浓缩实验,结果发现:添加0.5 wt%的SPEEK可以相对改善正渗透膜的亲水性并少量提高膜的水通量,而膜内部由指状孔结构向海绵状孔转变;应用双层刮膜法得到亲水高开孔膜内部重新出现指状孔结构且膜底面贯通,大幅度地减小内浓差极化,降低聚砜膜结构参数,得到的亲水高开孔膜具备优良的性能,纯水渗透系数A值:2.16 L/m2·h·bar,溶质渗透系数B值:0.16 L/m2·h,膜支撑层结构参数S值:191μm;在对高含盐模拟废水(盐浓度10wt%)的浓缩实验中水通量达到了28.3 L/m2h,水回收率达到53.2%。  (2)成功制备了一系列含有不同比例PEG400的正渗透膜,发现添加PEG400可以提高铸膜液粘度并加快相转化过程,RO测试结果发现,随着PEG400含量增加,复合正渗透膜纯水通量增大,当PEG400含量为8wt%时(PSF-8),正渗透膜的纯水渗透系数(A)值最大(1.62 L/m2·h·bar),膜结构参数(S)值最小(516μm)。在FO测试中发现,随着PEG400含量的增加,正渗透膜水通量(Jv)先增大后减小,在PSF-8时达到最大值,分别为12.5 L/m2h(AL-FS模式,活性皮层面向料液)和23.8 L/m2h(AL-DS模式,活性皮层面向驱动液)。实验表明8wt%的PEG400添加量可以最有效地降低支撑层的内浓差极化程度。  (3)利用F127双亲嵌段的性质,在少量添加F127的情况下增大了正渗透膜支撑层的亲水性,水通量性能提升了10%左右同时膜机械强度降低不明显,当F127比例超过1wt%后,水通量较原聚砜膜降低且机械强度降低。另外,添加F127后正渗透膜截留率明显下降,这可能是由于添加F127加速了相转化过程,使成膜过程膜表面出现缺陷,并进一步影响了界面聚合效果。
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