【摘要】：由于紡織行業(yè)的發(fā)展,我國每年大約產(chǎn)生23.7億噸的高鹽度印染廢水,造成嚴重的環(huán)境污染和資源浪費。印染廢水具有高毒,組分復雜,處理難度大等特點,傳統(tǒng)水處理難以實現(xiàn)染料和無機鹽的回收利用。納濾(NF)作為一種新型分離技術(shù),具有高效、節(jié)能、工作條件溫和等優(yōu)點,截留分子量在200-1000 Da,能夠用于分離有機染料,實現(xiàn)資源的可持續(xù)性。然而,傳統(tǒng)的納濾膜材料(聚合物膜、陶瓷膜)存在化學穩(wěn)定性差、價格昂貴、制備過程復雜或者易脆等問題。氧化石墨烯(GO)是一種二維材料,表面含有豐富的羥基、羧基等含氧基團,親水性較好,具有良好的機械性能,優(yōu)異的化學穩(wěn)定性,已經(jīng)用作納濾膜材料。GO膜具有可控的層間納米通道,通過調(diào)節(jié)可以使染料分子或無機鹽選擇性滲透,進而實現(xiàn)染料和無機鹽的回收。本文以聚偏氟乙烯(PVDF)多孔膜為支撐體,以氨基功能化的四氧化三鐵(NH_2-Fe_3O_4)、鎳鐵水滑石(Ni-Fe-LDH)和金屬有機骨架材料(NH_2-MIL-53)納米粒子調(diào)節(jié)GO膜片層間距,實現(xiàn)染料分離,研究內(nèi)容和主要結(jié)論如下:(1)以3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)修飾的Fe_3O_4納米粒子作為填充材料,將粒子與GO均勻分散在水中通過真空抽濾成膜,考察了NH_2-Fe_3O_4粒子添加量對復合納濾膜分離性能的影響,利用XRD、AFM、SEM、Zeta電位等手段對膜結(jié)構(gòu)進行了研究。結(jié)果表明:隨著NH_2-Fe_3O_4添加量的增加,致密膜結(jié)構(gòu)變得相對疏松,納濾膜表面粗糙度增加,負電性質(zhì)減弱。NH_2-Fe_3O_4納米粒子的引入,膜的通量顯著提高,GO/NH_2-Fe_3O_4-8的水通量78 L/(m~2h),比純GO膜提高了4.8倍,剛果紅的截留率比純GO膜僅降低了1.8%。對于剛果紅/無機鹽混合溶液,GO/NH_2-Fe_3O_4-8膜在保持較高的剛果紅截留率(約94%)的同時,降低了無機鹽的截留率,提高了復合納濾膜的染料脫鹽性能。NH_2-Fe_3O_4納米粒子的引入,明顯提高了GO復合納濾膜的抗壓實能力,膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強,操作壓力從0.2 MPa增加至0.8 MPa,GO/NH_2-Fe_3O_4-8納濾膜通量從34.5 L/(m~2h)增加到106.4L/(m~2h),提高了208%,而純GO膜僅提高了142%。(2)采用水熱法制備了Ni-Fe-LDH粒子,并通過FT-IR、XRD和SEM等手段對其結(jié)構(gòu)和微觀形貌進行了表征,以PVDF多孔膜為支撐體,通過真空過濾法制備了一系列GO/LDH復合納濾膜。結(jié)果表明:LDH的引入,膜表面親水性和Zeta電位均有所增加。隨著LDH添加量的增加,復合膜的層間距逐漸變大,致密結(jié)構(gòu)變得相對疏松,水通量增加,GO/LDH-2的水通量為54.6 L/(m~2h),比純GO膜提高了3.1倍,同時對染料表現(xiàn)出較好的截留效果,剛果紅、甲基橙和亞甲基藍的截留率分別為99%、83.5%,73.6%。GO/LDH-2納濾膜連續(xù)運行14小時,通量維持在37.3 L/(m~2h)左右,剛果紅的截留依然保持99.0%左右,表現(xiàn)出良好的運行穩(wěn)定性。(3)通過溶劑熱法成功制備了NH_2-MIL-53(Al)多孔納米粒子,并用FI-IR和XRD等手段表征了其結(jié)構(gòu),然后采用真空抽濾法制備了一系列GO/MOF復合納濾膜,結(jié)果表明:隨著NH_2-MIL-53(Al)納米粒子添加量的增加,復合納濾膜表面粗糙度逐漸增大,SEM表明粒子均勻分布在氧化石墨烯納米片層之間,致密結(jié)構(gòu)變得相對疏松。NH_2-MIL-53(Al)的添加量增加,膜的通量也逐漸增加,GO/MOF-3的水通量為58.5 L/(m~2h),相比純GO膜提高了3.4倍;對剛果紅、甲基橙和亞甲基藍的截留率分別為99.3%、86%、77.2%,對Na_2SO_4和NaCl的截留率分別為66.7%和37.5%。操作壓力從0.2 MPa增加至0.8 MPa,GO/MOF-3復合膜的通量從25.2 L/(m~2h)增加至78.5 L/(m~2h),提高了212%。不同操作壓力下的水通量表明,NH_2-MIL-53(Al)粒子的引入,明顯提高了納濾膜的抗壓實能力,保持了納濾膜孔道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
【圖文】：

.1 膜分離技術(shù)概述一般地，膜往往被稱為將兩相分隔開來的薄層障礙物，并允許某種組分優(yōu)先透過[1]分離技術(shù)是借助這種膜，在濃度差、壓力差或溫度差等外界推動力的作用下，將氣液體混合物分離開來從而達到濃縮、純化或富集等目的的一種新型分離技術(shù)，膜可均相的或非均相的、不對稱的或?qū)ΨQ的、帶電的或中性的，厚度可以從幾微米到幾，其分離過程如圖 1-1 所示。膜分離技術(shù)最早源于人們對生物膜滲析現(xiàn)象的認識，至今，已經(jīng)成為化工、材料和環(huán)境等多學科交叉的高新技術(shù)。膜技術(shù)具有分離效率高地面積小、裝置及分離過程簡單、不會產(chǎn)生二次污染、能耗較低等優(yōu)點，同時分離較為溫和，可以有效減小對熱敏性物質(zhì)和生物組分的損傷，，得到迅速發(fā)展，已經(jīng)廣用于石油化工、生物醫(yī)藥、食品、環(huán)境、氣體分離、海水淡化等領(lǐng)域，被認為是 紀最有發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)之一[2]。應用于水處理領(lǐng)域，根據(jù)分離精度、傳質(zhì)機理作壓力等差異，可以將膜過程分為微濾(Microfiltration)、超濾(Ultrafiltration)、納Nanofiltration)、反滲透(Reverse Osmosis)[3]。

圖 1-2 溶解擴散機理圖Fig.1-2 Schematic of solution-diffusion mechanismruggen 等人探討了 4 種納濾膜對于 25 種有機分子的分離和電荷對截留的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)截留率的大小與分子的電等性質(zhì)有很大的關(guān)系。還發(fā)現(xiàn)，納濾膜對高偶極矩分子種現(xiàn)象可以解釋為靜電作用使得偶極朝向膜[5]。納濾膜 Donnan 效應，并且會由于膜的孔徑不同而有所差異，徑篩分影響較為明顯，溶質(zhì)的分子量越大，截留率也就，Donnan 效應起主導作用。當然，除了納濾膜本身的離也有一定的影響，如推動力、操作溫度、體系 pH、流質(zhì)溶液，因為 Donnan 平衡，離子與膜表面電荷為同種下來，同性離子電荷價態(tài)越高，截留率也就越高。同時也會被截留。傳質(zhì)模型
【學位授予單位】：江南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ051.893;X791

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本文編號：2616449