苦咸水軟化是解決我國淡水資源短缺的有效途徑之一,本課題通過模擬我國黃淮地區(qū)華北山前沖積平原與中部沖積平原交接處的苦咸水為研究對象,通過實驗室小試裝置,構建納濾(NF)膜法軟化系統(tǒng),積極探索影響NF膜污染的因素,以期達到減輕膜污染,降低產(chǎn)水費用,加速苦咸水軟化的工業(yè)化發(fā)展。本課題主要包含以下幾個方向的研究:(1)考察了包括跨膜壓差(0.60-2.20MPa)、切向流速(0.09-0.31m·s~(-1))和進水溫度(17-37?C)等操作條件和pH值(3-10)、TDS(1317-5926mg·L~(-1))等進水物性對DL、DK型NF膜軟化分離性能的影響效應。實驗結果顯示,DK膜的最佳操作壓力1.60MPa、DL膜的最佳操作壓力為1.50MPa,DK膜的最佳切向流速選定0.17m·s~(-1),DL膜的最佳切向流速選定0.15m·s~(-1)、進水溫度25?C時,NF膜軟化系統(tǒng)有較高的膜產(chǎn)水通量。同時DK和DL膜對主要二價成垢離子Ca~(2+)、Mg~(2+)、CO_3~(2-)和SO_4~(2-)的具有較高截留率,表明NF膜有良好的軟化分離性能。DK和DL納濾膜比通量隨pH值的增加分別呈先上升后下降和緩慢下降的趨勢,pH為6.0時,膜比通量最大而TDS、Mg~(2+)、Ca~(2+)的去除率卻相對較小,可以推測pH增大到6左右時正好達到等電點,膜污染減弱所以膜比通量最大。膜比通量隨進水TDS的增加呈整體下降趨勢,TDS去除率下降,Mg~(2+)離子和Ca~(2+)離子的去除率變化不大,因為隨著進水鹽度的增加,納濾膜表面及膜孔內(nèi)的Donnan效應和靜電效應減弱,從而導致納濾膜對溶液中離子的截留率降低,但溶質穿過膜的推動力變大,使更多溶質穿過膜。(2)考察膜面的有機污染在TOC(2.72-12.24mg·L~(-1))的進水條件下,隨進水TOC的增加膜比通量呈整體下降趨勢。結果表明,對UV_(254)的平均去除率保持在85%以上,腐殖酸表面所含的多種官能團可以與水中共存的金屬離子進行絡合反應,形成具有復雜結構特征的大分子物質導致膜污染加重,形成厚的濾餅層可以提高納濾膜對離子的截留率。DL膜的粗糙度(Rms)大小順序為:改變Mg~(2+)改變Ca~(2+)同時改變Ca~(2+)和Mg~(2+)。有機物的去除率上升,是因為鈣鎂離子濃度高時能與與腐殖酸形成“鹽橋”,或者形成Ca~(2+)-HA和Mg~(2+)-HA復合物堵塞膜孔使膜通量下降,有機物去除率上升,通過三維熒光可以明顯發(fā)現(xiàn)。HA單獨存在或與不同的陽離子共存時,膜比通量下降情況如下HAHA+Na ClHA+CaCl_2=HA+MgSO_4HA+FeCl_3,HA與不同陽離子共存時污染的協(xié)同效應導致通量下降不同,因為HA分子對膜影響最嚴重,易于沉積在膜上導致膜孔阻塞。(3)根據(jù)前期進水物性和流體力學實驗結果,各操作條件均保持最佳分離效果的狀態(tài),進行長期穩(wěn)定運行(操作壓力1.50±0.05MPa、切向流速0.15m·s~(-1)和溫度25℃)。考察了DL納濾膜對苦咸水中主要無機離子及天然有機物的截留效果,進而研究在長期穩(wěn)定運行過程中DL膜對苦咸水的軟化分離效果。實驗結果表明,膜產(chǎn)水通量、對無機鹽的截留率和對總有機碳的去除率(以UV_(254)值計)均隨操作時間的增加呈不斷下降的趨勢,并且能去除苦咸水中40%的Ca~(2+)和Mg~(2+),納濾膜脫鹽順序為:Mg~(2+)Ca~(2+)Na~+K~+。大幅度降低苦咸水的硬度,納濾膜的軟化分離性能良好,運行至267h時,膜比通量下降幅度超過10%,進行化學清洗,酸洗后膜比通量恢復率達到90.97%,酸洗加堿洗后該值高達94.57%。結合掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡表征結果,可知化學清洗對膜污染有較好的去除效果。
【學位單位】：河南師范大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TU991.26
【部分圖文】：

圖 1-1 使用邊界層描述濃差極化Fig. 1-1 Concentration polarisation is by using the boundarlayer包括無機污染、有機污染、微生物污染、膠體污常見的影響膜污染的污染物如表 1-1 所示。機污染主要是指鈣離子、鎂離子等二價陽離子與形成的沉淀所造成的污染，其中以碳酸鈣和硫酸機污染的原因歸結為無機鹽的表面晶體和主體晶的下降歸結為兩者綜合作用的結果，且具體受操0]。

高的表面積使不同組分的 NOM 更容易被膜保留[108]。Ca2+離子存在電荷產(chǎn)生屏蔽中和或與表面的官能團發(fā)生絡合反應[109]。通過 Ca2+物的原因是 HA 分子形成小的，卷曲的結構，如圖 1-3 所示[110]。]等研究 Mg2+離子和 HA 在 NF270 膜軟化地表水過程中對膜污染的Mg2+時，進水溶液的滲透通量有輕微下降，僅添加 HA 時下降了，在時，滲透通量下降高達 70%，這主要是因為 Mg2+在 HA 分子和膜了橋連劑作用。HA 形成疏松的污染層，Mg2+離子的加入，致使雙電膜表面和腐殖酸大分子的電荷減少，最終在膜表面和 HA 之間的靜表面形成一緊湊的污染層，最終導致進一步滲透通量減少。同樣地膜總污染阻力和污染不可逆性，因為 Ca2+和 HA 結合形成復合物但同時添加 Na+和 Ca2+離子于溶液中，可以減緩膜污染，因為 Na+減的絡合或通過靜電屏蔽減弱鈣離子和帶負電荷的膜與 HA 之間的粘

圖 2-2 場發(fā)射掃描電子顯微鏡 (a. DK 膜 b. DL 膜)Fig.2-2 Field emission scanning electron microscope images (a. DK membranes b. DL membran.4.2 掃描探針顯微鏡（AFM）原子力顯微鏡可用于觀察膜片的表面形貌，結合 SEM 對膜污染情況進行深入分先選取一小塊膜片將其固定于樣品架上，根據(jù)需要選取 6μm×6μm 的表面來表征。子探針逐漸與膜面接近至剛接觸時，產(chǎn)生的原子作用力將使探針頂端偏離原來的。所以樣品表面的形貌可以根據(jù)探針的偏離量間接獲得。實驗測試采用輕敲模式，面的粗糙度表征采用均方根粗糙度（RMS）。例如圖 2-3 為某特定條件下 DK 和 DL三維 AFM 圖。Rms=15.52Rms=16.94 b

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本文編號：2808668