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粉末活性炭预处理对超滤膜通量的影响
作者:管理员    发布于:2016-04-23 10:31:55    文字:【】【】【

  低压膜如超滤和微滤膜应用于饮用水处理所遇到的大问题是膜污染。膜污染导致通量下降或膜压差上升,造成制水成本增加。导致膜污染的主要因素是天然原水中的有机物(Lane采用预处理如混凝、吸附以及氧化去除有机物,尽量降低进膜水中的有机物含量是目前减缓膜污染或提高通量经常采用的技术措施。在吸附膜联用技术中,粉末活性炭是常用的吸附剂。许多研究表明,PAC联用工艺可有效降低有机物和消Anneeta1998)。但粉末炭作为预处理是否能防基金项目:国家科技支撑项目(No2006BA8B02)dmgbim4lmlmeln通讯作者(责任作者)止膜污染是研究的重点,也是令人关注的问题。PibazariMassoud等(1992用PACMF联用工艺处理含有天然和合成有机物的水,结果表明粉末炭可有效提高膜过滤通量。但更多的试验结果表明,粉末炭对提高通量的效果甚微(MoiSYWiaeta,2007)―般认为,有机物去除的越多意味着膜通量的改善或膜污染程度的减缓。但一些研究表明,尽管粉末炭去除较多的有机物,但对通量的提高效果甚微,甚至加重了膜污染(Zhngeea2003Caroleta200QLineta1999)即有机物去除的越多并非带来相应的膜污染的减缓。因此,有理由推测,有机物的某些组分对膜污染起到主要或关键作用。

  许多研究者通过试验指出,造成通量下降的主要有机物组分是中性亲水性有机物(Gayta,对纳滤膜的试验表明,疏水性的有机物是引起通量下降的主要因素,而亲水性的有机物对通量的影响较小。DONG等(2007)也发现,亲水性有机物仅造成通量的缓慢下降,而造成通量急剧下降的主要有机物组分是疏水性有机物。尽管上述研究者的结论存在分歧,但已证实了有机物亲疏水性对膜污染有较大的影响。因此,将有机物亲疏水性作为切入点,可以更深入地探讨粉末炭减缓膜污染的机理,但目前这方面的研究较少。

  本论文选择4种来自不同水源,具有不同亲疏水性的原水,采用DAX-8和XA)-4树脂将有机物分离成疏水性和亲水性,考察超滤膜直接过滤和采用粉末炭作为预处理两种情况下,膜通量的变化,同时了解粉末炭吸附和膜截留不同有机物组分的效果,以期了解粉末炭预处理改善膜通量的效果和机理,21原水水质本试验采用4种水样,蛟塘水、黄浦江水、三好坞水和浓缩的自来水。蛟塘是镇江的延陵镇的水塘,作为延陵镇水厂的水源;黄浦江是上海市的主要自来水厂的水源;三好坞是位于同济大学校内的小河,河水的富营养化较为严重;浓缩自来水是纳滤膜处理同济大学校内的自来水时得到的浓水。4种水样的主要水质指标如表1所示。

  表1试验水样的主要水质指标Table1 MrCaacteirics水样浊度/色度硬度蛟塘原水黄浦江原水自来水浓缩三好坞原水注:硬度以CCX计22粉末活性炭吸附试验去除水中的悬浮固体和粉末炭,对过滤液进行膜试将100mg和200mg的粉末活性炭(PAC)投加验。粉末炭采用上海活性炭厂生产的木质炭13mL到11的水中,搅拌吸附2h后,用Q45m膜过滤,其主要性能如表2所示。

  表2粉末炭的性能总的孔容积/微孔(〈1 mi)容积/微孔比例中孔01mm)容积/中孔比例重量平均尺寸/(um 23膜试验器的有效容积300mL超滤膜的膜材质为聚醚砜采用中国科学院上海原子核研究所膜分离技(PES,截留分子量为30000Da术研究开发中心提供的杯式过滤器和超滤膜。过滤每次过滤前,先用去离子水过滤,测定纯水通量然后测定水样。水样过滤通量与的比值作为通量进行不同试验工况的比较。每个工况均采用新膜。所有的水样过滤前均用0 45/m莫过滤,以避免悬浮固体和胶体的影响。试验水样的值均调节至7. 24有机物分离试验采用罗门哈斯公司的AnbrltDAX-8和XAD- 4树脂进行有机物亲疏水性的分离,其分离流程见。分离不同组分的有机物以及回收率如表3所示。

  表3有机物(ix)c)在每一分离阶段的浓度水样总回收率IOQ洗脱液)回收率DO(洗脱液)回收率蛟塘原水黄浦江原水自来水浓缩三好坞原水为过滤原水时,膜截留有机物的效果。由分析方法与仪器上海精密科学仪器厂的UV755Bt外分光光度仪测定,总有机炭(TO谏用日本岛津公司的TC-Voti测定。测定UV54和TC之前,水样均用过滤,相应得到的TO代表水中溶解性的有机物,31不同原水的亲疏水性从可以看出,不同的原水,其亲疏水性也不同。就4种原水中,疏水性组分多的是三好坞水,占72少的是上海自来水,约占50;而亲水性组分多的是自来水,约占49而少的是三好坞水,仅为27 32超滤膜直接过滤不同原水时的通量变化由可见,不同的原水,通量的下降程度不同,其顺序为三好坞水、浓缩自来水、黄浦江水和蚊塘水,过滤结束时的通量分别为039、070、074和086由于三好坞水和浓缩自来水的有机物是黄浦江水和蚊塘水的2倍,因此,通量下降的程度较严重。这说明有机物含量越高,导致的膜污染也越严重。三好坞水的有机物与浓缩自来水相近,但通量下降程度较浓缩自来水严重。由可知,三好坞水的疏水性组分较浓缩自来水高;而黄浦江水的疏水性组分略高于蚊塘水,因而通量下降程度也略比蚊塘水的严重。通过比较可知,在有机物含量相近的情况下,疏水性有机物越高者,导致的通量下降程度也越严重。

  留率明显高于浓缩自来水,这可解释为三好坞水的疏水性组分含量明显高于浓缩自来水。而对于蚊塘水和黄浦江水,两者的有机物截留率相同,但黄浦江水的疏水性截留率明显高于蚊塘水。同时,从还可以看出,超滤膜对4种原水截留的有机物中,疏水性有机物占多数,均超过50.由此可见,通量的下降不仅与原水中的疏水性有机物含量有关,还与截留的有机物组分有着密切的关系。

  33粉末炭预处理改善通量的效果、和为粉末炭预处理后,通量的变化情况。由图可以看出,通量改善差的是三好坞水,尽管投加了较大量的粉末炭,但通量没有任何改善。通量提高好的是黄浦江水,投加100mgL1时,过滤结束时的通量较直接过滤原水提高了8,投加200mgL-时,通量提高了135.对2mgL1时,通量提高分别为69和7 1,但投加100mgL1时,均出现了通量不升反降的情况。由此可见,对于4种水样,投加粉末炭后,通量仅于蛟塘水和自fefea通量改善的情况相似投加icish略有而下降。e该结果与/许多研究者的34粉末活性炭对有机物各组分的处理效果粉末炭去除有机物各组分的效果如和0所示。投加100mgL1的粉末炭后,就三好坞水和浓缩自来水,浓缩自来水的去除率明显高于三好坞水;而当粉末炭投加量增至200mgL1时,这样的差异仍然没有改变。这种差异可解释为:浓缩自来水的亲水性组分高于三好坞水,而粉末炭容易吸附亲水性有机物。黄浦江水和蚊塘水的去除率差别不大,这是由于2种原水的亲疏水性有机物相差不大的缘故。从和0还可以明显看出,对于4种原水,粉末炭对亲水性有机物的吸附均高于疏水性有机物。本试验结果表明,粉末炭选择性地吸附亲水性有机物。Nilon等(1996)的试验也表明,粉末炭主要吸附亲水性的有机物,他们的结果与本试验相符。这种现象可解释为:亲水性有机物的分子量较小,因而容易进入活性炭的细孔,从而被吸附去除。

  35粉末炭预处理后膜对有机物各组分的截留效果由1和2可以看出,经100mgL1粉末炭处理后,膜对三好坞水有机物的截留率高于浓缩自来水,而当粉末炭提高至200mgL1时,三好坞水的截留率更高于浓缩自来水,同时膜对有机物的截留率反而增加。三好坞水的疏水性组分高于浓缩自来水,粉末炭吸附较多的亲水性组分,因此,粉末炭处理水中的疏水性组分比例增加。这种结果使得疏水性组分□亲水性组份1投加1mSL-粉末炭后膜截留有机物的效果有所改善2这与不同z的疏水性有机物的分bidingcatti粉末炭预处理对三好坞水过滤通量改善效果明显劣于浓缩自来水。

  超滤膜直接过滤原水的试验结果表明,截留疏水性有机物越多者,通量下降也越严重(见和)。由此可认为,疏水性有机物是造成通量下降的主要因素。这一结果与Nile等(1996)的结论相符。疏水性有机物具有较大的分子量,例如,Zulaiam等(27)采用超滤膜法对UUPontian河的疏水性和亲水性组分进行了分子量分布测定,结果表明,分子量越大,其疏水性有机物也越多。因此,膜选择性地截留疏水性有机物可能是由于这类有机物分子量较大的缘故。

  Nild(1996脂出,粉末炭主要吸附中等尺寸的有机物,较大分子量的有机物由于难以进入活性炭的细孔而无法为粉末炭去除,而尺寸很小的有机物由于较强的亲水性也难以为活性炭所吸附得到去除。Ln等(1999)的试验也表明,粉末炭对分子量小于300和大于17000的有机物的去除效果很差。因此,经粉末炭处理后,尽管去除了较多的有机物,但残留在水中的有机物多为较大分子量和较小分子量的,而较大分子量的有机物多为较强疏水性。因此,超滤膜过滤粉末炭处理水时,倾向于截留疏水性有机物,导致通量改善效果很差。

  粉末炭吸附较多的亲水性小分子有机物,使处理水中的疏水性组分的比例高于原水,可能导致通量下降的程度更甚于原水(见和)。对于黄浦江水和三好坞水,投加100mgL-粉末炭对通量子量不同有关。提高粉末炭投加量,导致水中亲水性组分的更多去除,粉末炭处理水中的疏水性组分比例增加,这使得膜截留更多的疏水性组分。例如,投加100171粉末炭时,膜截留13的疏水性组分,而粉末炭投加增加至200m8L-时,膜截留的疏水性组分增加至28(见1和2)。其余水源也显示出同样的趋势,它们之间的区别仅仅是程度不同而已。增加粉末炭投加量本应使通量的下降更为严重,但由于粉末炭表面能吸附一部分的疏水性大分子有机物(Shneta2004),这类有机物的部分去除使通量得到改善。因此,对4种原水而言,投71的粉末炭均能使通量得到一定程度的提高。

  超滤膜直接过滤原水时,通量下降严重,其原因是截留较多的疏水性有机物的缘故,因此,超滤膜处理疏水性有机物较多的原水时,造成的膜污染也更严重。

  粉末炭吸附更多地去除亲水性有机物,而造成膜污染的疏水性有机物仍大量残留在粉末炭处理水中,因此,尽管粉末炭吸附去除较多的有机物,通量得到一定程度的改善,但仍会造成严重的膜污染。

  责任:董秉直(1955-)男,教授,博士生导师。从事饮用水处理的科研与教学工作。目前着重研究膜技术在饮用水处理中的应用。

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