正滲透技術(shù)中驅(qū)動劑的選擇及其膜污染的研究.pdf

1、正滲透（Forward Osmosis，F(xiàn)O）作為一種低能耗、低污染和高回收率的綠色膜分離技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于海水淡化、發(fā)電、工業(yè)廢水處理、食品、航天及制藥等工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領(lǐng)域。它利用選擇性半透膜兩側(cè)溶液的滲透壓差作為驅(qū)動力，使純水從濃度較低的原料液(Feed Solution，F(xiàn)S)一側(cè)自發(fā)地進(jìn)行跨膜擴(kuò)散，運動到濃度較高的驅(qū)動液(Draw Solution，DS)中。針對于中國淡水資源嚴(yán)重匱乏的現(xiàn)狀，正滲透技術(shù)的進(jìn)一步研究對實

2、現(xiàn)該技術(shù)的實際應(yīng)用提供理論支持，對緩解目前的水資源短缺問題和能源壓力具有重要意義。
　　基于國內(nèi)外對正滲透的研究，本論文選擇了兩種正滲透膜（美國HTI公司生產(chǎn)的三醋酸纖維膜（CTA膜）和高性能的聚酰胺復(fù)合膜（TFC膜）），8種常見的無機(jī)驅(qū)動劑NaCl、NaNO3、KCl、KNO3、NH4Cl、NH4NO3、CaCl2和Ca(NO3)2，系統(tǒng)地研究了驅(qū)動劑中不同陽離子（K+、Na+、NH4+和Ca2+）和不同陰離子（Cl-和NO3-

3、）在兩種膜放置模式(FO模式:FS面向活性分析層，PRO模式:FS面向多孔支撐層)下的水通量情況，分別選擇出驅(qū)動效果最好的陰陽離子(K+和Na+，Cl-);研究了膜兩側(cè)鹽度變化對驅(qū)動效果的影響，探討了正滲透過程對含表面活性劑（十二烷基苯磺酸鈉）、重金屬Ni2+和抗生素（環(huán)丙沙星）的不同鹽度的模擬廢水的處理情況，主要考察在不同操作條件下特征污染物的去除率。另外，根據(jù)驅(qū)動劑選擇原則，通過與常見的無機(jī)驅(qū)動劑進(jìn)行比較，研究了油田大量使用的聚合電

4、解質(zhì)物質(zhì)-聚丙烯酰胺(HPAM)作為驅(qū)動劑的可行性，并將其應(yīng)用于染料廢水處理中，研究并比較了長時間運行下不同膜放置方位的運行效率。此外，為了探究正滲透膜污染的情況，選擇牛血清白蛋白(BSA)和辛酸(Octanoic acid，OA)分別代表二級出水中廣泛存在的蛋白質(zhì)和有機(jī)酸類物質(zhì)，研究了其在不同溶液pH、Ca2+濃度、離子強(qiáng)度、膜放置方位和初始水通量等條件的膜污染情況。主要研究結(jié)果如下:
　　1.對于無機(jī)驅(qū)動劑的驅(qū)動效果研究比較發(fā)

5、現(xiàn)，不同陽離子類型對水通量影響較大，Na+和K+離子的水通量高，而且其隨時間降低幅度小。氯酸鹽的水通量和降低幅度均大于硝酸鹽。另外，在不同膜放置方位下，溶液性質(zhì)對水通量具有不同影響。在一定粘度范圍內(nèi)，PRO模式下的水通量由滲透壓主導(dǎo);而在一定滲透壓范圍內(nèi)，F(xiàn)O模式下的水通量由粘度主導(dǎo)。在選擇的這8種無機(jī)鹽驅(qū)動劑中，KCl為性能最佳驅(qū)動劑而NaCl則為性價比最佳驅(qū)動劑，對今后無機(jī)驅(qū)動劑的選擇提供了理論支持。
　　2.在膜兩側(cè)溶液滲透

6、壓差一致的情況下，明確了膜兩側(cè)溶液鹽度增加對驅(qū)動效果的影響。膜兩側(cè)溶液鹽度增加，濃差極化現(xiàn)象加重，使得水通量下降。另外，低鹽度條件下，F(xiàn)O模式下的水通量隨溫度增加增幅顯著，但在高鹽度條件下，溫度增加對其水通量的促進(jìn)作用減弱。流速增加能有效緩解外濃差極化現(xiàn)象，從而促進(jìn)PRO模式的水通量，但其對內(nèi)濃差極化影響不大，不能有效提高FO模式下的水通量。隨著鹽度的增加，流速對水通量的促進(jìn)作用增強(qiáng)。在PRO模式下，高鹽廢水引起嚴(yán)重的膜結(jié)垢，但可通過簡

7、單的物理清洗去除。該部分明確了膜兩側(cè)溶液鹽度變化對水通量和膜結(jié)垢的影響，并探討了溫度，流速和膜放置方位變化對正滲透過程處理不同鹽度溶液的影響，為今后正滲透技術(shù)在不同鹽度廢水中的應(yīng)用提供了一定的技術(shù)支持。
　　3.使用TFC膜處理含有表面活性劑SDBS、重金屬Ni2+和抗生素環(huán)丙沙星的廢水發(fā)現(xiàn)了TFC膜對以上三種污染物均具有較高的截留率，其去除機(jī)理主要為位阻作用。TFC膜對SDBS的截留率始終保持在98％以上。CTA膜和TFC膜對N

8、i2+的截流率均在93％以上。在低鹽度條件下，表面活性劑SDBS會增加Ni2+離子的截留率，然而高鹽條件下，因為大量Na+離子在膜表面的積聚使SDBS的影響不明顯。CTA膜對CIP的截流率大于80％，另外，pH對CIP的截流率影響大，隨著pH的增加，膜對CIP的截留率不斷降低，從97.4％降低到86.7％。靜電斥力在CIP的截留作用中貢獻(xiàn)較小。另外，鹽度增加會提高污染物的截留率。這部分明確了正滲透過程對以上三種不同特征污染物的處理效果，

9、分析了不同操作條件（溫度、流速、FS離子強(qiáng)度、pH及添加劑）對截留率的影響，對正滲透技術(shù)在不同廢水中的實際應(yīng)用具有非常重要的指導(dǎo)意義。
　　4.有機(jī)聚合物HPAM溶液其水通量穩(wěn)定、反向鹽質(zhì)通量低，作為DS切實可行，使用FO技術(shù)稀釋后的HPAM溶液能保持較高的粘度，滿足三采油的要求。HPAM溶液作為DS處理染料廢水，經(jīng)過50h的運行，染料廢水得到了很好的濃縮處理，同時HPAM得到了很好的稀釋。在PRO模式下，膜污染經(jīng)歷3個不同的步驟

10、:a.HPAM形成濾餅層;b.HPAM濾餅層的稀釋;c.膜孔堵塞;而在FO模式下的膜污染程度輕，并沒有經(jīng)歷上述三個步驟;另外，HPAM和染料分子接觸并相互交聯(lián)形成難以清洗的污染層，使得FO和PRO組合模式的膜污染嚴(yán)重且難以清洗。通過與性能最優(yōu)的無機(jī)驅(qū)動劑KCl作比較，研究分析了有機(jī)聚合物HPAM的驅(qū)動效果，并應(yīng)用其處理染料廢水，明確了其作為驅(qū)動劑的可行性，豐富了正滲透驅(qū)動劑系統(tǒng)。稀釋后的HPAM可以保持較高的粘度，可以直接應(yīng)用于油田進(jìn)行

11、聚合驅(qū)油，節(jié)約了大量的淡水資源，對于油田具有非常積極的意義。
　　5.研究了FO過程中蛋白質(zhì)類物質(zhì)BSA和脂肪酸類物質(zhì)OA的膜污染過程及機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)Ca2+存在使得BSA膜污染加重，而OA污染減輕，因為Ca2+和BSA結(jié)合形成BSA-Ca2+復(fù)合物，在膜表面堆積，加重膜污染，另外Ca2+通過占據(jù)膜表面的吸附位點使OA在膜表面的吸附量減少，從而減輕污染。FS離子強(qiáng)度增加，使得靜電斥力減弱，從而使得BSA在膜表面堆積量增加，從而使得