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有机物极性对超滤膜过滤性能的影响
作者:管理员    发布于:2016-04-05 17:16:13    文字:【】【】【

  天然有机物是造成超滤膜污染的主要原因8,有机物的极性对膜污染的影响很大。Car-roll等人0认为造成膜通量下降的主要是中性亲水性有机物;Fan等人M的结论与CarrollT致。但也有Nilson和董秉直M等人认为,造成膜污染的主要是有机物中的疏水性有机物可见有机物极性收穑日期:2010基金项目:国家博士后基金资助项目(2008ZX07422-005)对超滤膜的膜污染尚未成定性,也未见针对有机物组分和膜污染关系之间的模型分析。作者采用去离子水配制有机物含量相当而极性成分不同的5种水样分别用超滤膜过滤,充分利用有机物分级的表征方法,考察超滤膜的通量变化,基于滤饼堵塞过滤模型和中间堵塞过滤模型分析有机物极性对膜过滤性能的影响。

  1实验部分1.1试验装置及膜组件试验超滤膜为海南立升膜公司提供的PVC合试验水样通过原水泵注入膜组件,采用死段恒压式过滤。每种水样过滤结束后,拧开膜组件上端的密封盖,将浓水倒入1号烧杯后,重新将超滤膜组件组装好,用500ml纯净水正冲超滤膜,并将冲洗水收集到2号烧杯,再用500ml纯水反冲超滤膜,3号烧杯收集好反洗水。后用500ml含量为0.5的NaOH溶液通过原水泵和反洗泵在超滤膜组件内循坏冲洗20min,停止水泵浸泡30min,将膜组件内所有化学清洗液倒入4号烧杯。取原水、膜后水及上述烧杯中的水样待检测分析。

  每过滤一种水样前,首先测定膜的纯水通量0.由于每次测定的纯水通量都略有不同,为了便于比较每个工况的效果,将实际测定的通量/P与纯水通量。之比p/.作为比通量。

  1.2试验水样试验用水为去离子水配制而成,称取一定量的腐殖酸和富里酸溶于02mol/L的NaOH溶液中,并让其充分溶解,然后使用0.45pm滤膜抽滤去除不溶物质,得到溶解态的腐殖酸和富里酸原液,然后将滤过液存于密封容器中保存待用。试验中,取腐殖酸和富里酸原液,用去离子水稀释到所需浓度,调节pH值后使用。为考察水中不同特性的有机物对超滤膜过滤过程的影响,用腐殖酸和富里酸按不同比例配制成有机物浓度相同,但疏水性和亲水性组分不同的5种水样,水样组成见表1.水样1和水样2以疏水性有机物为主,水样4和水样5以亲水性有机物为主,水样3中疏水性有机物和亲水性有机物相当。5种水样中腐殖酸和富里酸配比见表1.表1不同水样腐殖酸和富里酸配比Tab.名称水样1水样2水样3水样4水样5 1.3试验检测方法采用固相萃取法对有机物极性进行分级,具体方法如下:将1g树脂装入吸附柱压实,水样通过各吸附柱的流速控制在35 mol/L的NaOH和1mol/L的HCl溶液调节pH值。将pH值调至2.0并用0.45 m微滤膜过滤后的水样,通过DAX-8树脂吸附柱,吸附在DAX-8树脂的溶解性有机物是强疏水性有机物(VHA);通过DAX -8树脂吸附柱的试验水样,再通过XAD-4树脂吸附柱,吸附在XAD-4树脂的溶解性有机物为弱疏水性有机物(SHA);将通过XAD-4树脂吸附柱的试验水样pH调至到8,用IRA-958树脂吸附柱进行吸附,被IRA-958吸附的有机物是极性亲水性有机物(CHA);在任何柱子上不吸附的物质为亲水中性有机物(NEU)M.通过差减法求出各有机物组分含量,分离流程图见。

  2结果与讨论2.1超滤膜对不同极性有机物的去除为5种自配水样中有机物极性分布情况,PVC合金超滤膜对有机物各组分的截留情况见。在原水有机物含量相当的情况下,超滤膜对不同水样中的有机物去除情况相差很大,对水样1中的有机物去除率高,为49.74,水样5的去除率低,为24.54.不难发现超滤膜截留的主要是疏水性有机物,对5种水样中的VHA去除率都在65.对亲水性有机物去除率则较低,其中CHA的去除率为8.91 ~42.11.超滤膜对不同极性有机物去除率由高超滤膜对水样中不同极性有机物的去除浓水、正洗水和反洗水中的有机物造成了超滤膜的可逆污染,而化学清洗水中的有机物造成了超滤膜的不可逆污染。由可知,5种水样过滤时,超滤膜对疏水性有机物含量占优的水样有机物截留效果明显,过滤结束时,膜腔内浓水中有机物浓度是溶液主体浓度的163~4.76倍,这部分有机物可通过超滤膜的水力清洗芫全排出超滤膜组件,形成滤饼层的有机物和进入孔道的有机物也可大部分排出膜组件,属于可逆污染。5种水样超滤膜过滤8L时,膜腔内累积截留的有机物分别为15.28、14.40、13.92、。72和6.24mg,分别占截留总有机物量的85.65、87. 46、90.42、93.00和92.76.从5种水样形成的浓水、正洗水和反洗水中有机物浓度的总和来看,疏水性有机物为主的水样有机物浓度明显高于亲水性有机物占优的水样;从化学清洗液的数据来看,也是疏水性有机物占优的水样有机物浓度高于亲水性有机物占优的水样;从膜后水的数据可以看出,大量亲水性有机物穿透了超滤膜。

  由此可见,进水有机物浓度相当的情况下,疏水性有机物造成的无论是可逆污染,还是不可逆污染的程度均要比亲水性有机物严重。所以控制超滤膜的有机物污染,主要是控制进膜料液中疏水性有机物的含量,以控制膜污染,保证膜的稳定运行。

  有机物在超滤膜工艺中不同工序的分布Fig. 2.2超滤膜的比通量变化为5种不同水样分别过膜时超滤膜的比通量变化。在超滤膜累积过滤流量都是8L时,原水中有机物成分不同,其比通量下降程度也不同。按照比通量下降由大到小排序为:水样1 >水样5,过滤结束时通量分别为起始通量的45,56,69,80和91,水样1比通量的下降率是水样5的2倍多。结合前述可知,在溶解性有机物原始浓度相当的情况下,疏水性有机物是造成该膜污染的主要因素。

  试验结果表明,疏水性有机物是造成超滤膜有机污染的主要因素,减缓超滤膜的污染进程,应通过膜的前端处理技术降低膜前进水中疏水性有机物浓度。当然,从提高超滤膜出水的安全性角度考虑,膜前亲水性有机物含量也必须引起重视,而且部分亲水中性有机物也会对污染超滤膜。因此,宜针对不同水源中有机物的成分选取相应的前端处理技术,提高超滤膜产水率和出水安全性。

  2.3.2中间堵塞过滤模型中间堵塞过滤模型假定部分小分子溶质进人膜孔并且吸附在膜孔内表面上,在恒压情况下,膜孔体积的减小正比于渗透流量,则:Qp表示超滤膜流量,m3/h;4x表示膜厚度,m;r表示膜内径,m;N表示膜孔总数;a为无量纲参数;式⑻积分得:式(7)由Hage-Poiseuill定律和达西定律计算出式(8):设V.=nAxNr.2,将式(8)和式(9)代入式7后整理得:p表示超滤膜过滤通量,m/s表示水的粘度系数,PaS;Rt表示超滤膜过滤膜总阻力,m1;Pt表示超滤膜过滤压力。

  Rm表示超滤膜固有阻力。同超滤膜结构和材料有膜孔吸附系数,k.越大膜污染越严重,其代入式10得:关,m-1;R.表示超滤膜截留杂质滤饼层阻力,m-1可用Ruth的滤饼层过滤式来表示:Vp表示累积过滤水量,m3;Cp表示溶液污染物浓度,kg/m3;A表示超滤膜膜面积,m2;a.表示滤饼层平均比膜阻,m/kg.将式⑵和式⑶代入式⑴得到式⑷:令kp=acCp则式⑷变为:kp表示滤饼层阻力系数,m-2.kp表示单位面积超滤膜过滤单位体积原水时,膜表面堆积滤饼的过滤阻力。

  试验中测定Rm、A、Pt和p值,作图求出kp表2可看出滤饼层过滤模型和中间堵塞模型与试验结果都有较高的相关性,说明膜过滤时两种污染机理同时存在。水样1中两种模型相应的滤饼层过滤阻力系数kp和膜孔吸附系数k.都比其它系列大,证明疏水性有机物在膜表面沉积和在膜孔的吸附性能都较强。随着水样中疏水性有机物成分的下降,水样1、水样2、水样3、水样4和水样5中kp和k.呈下降趋势,这2种污染模式的污染程度都在下降。水样5过滤时,kp和k.均小,说明当水中有机物以亲水性有机物为主时,既不容易形成滤饼层,杂质在膜孔的吸附性也很小,即膜污染也相对轻。也验证了试验分析超滤膜过滤水、膜孔内浓水、反洗水和化学清洗水中有机物分布的结论。综上所述,对于不同系列的试验,超滤膜的2种污染模式系数变化和试验比通量变化基本一致。

  表2不同试验系列2种模型系数及相关性名称试验数据滤饼过滤模型中间堵塞模型浊度/NTU累积过滤体积/L水样1水样2水样3水样4水样5 3结论PVC铝合金低压超滤膜对水中有机物去除主要是疏水性有机物为主,对不同极性有机物去除率由高到低为:VHA>SHA>NEU>CHA.在进水有机物浓度相当的情况下。疏水性有机物造成的无论是膜的可逆污染,还是不可逆污染的程度均要比亲水性有机物严重。滤饼层过滤阻力系数kp和膜孔吸附系数kc均随水样中疏水性有机物含量的升高而增大,说明疏水性有机物在膜表面沉积和在膜孔内的吸附性能都较亲水性有机物强。因此,通过膜的前端处理技术降低膜前进水中疏水性有机物浓度,可以有效降低膜污染,提高膜的过滤效能。

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