【摘要】：超濾膜分離技術(shù)因具有高效、精密、簡便、節(jié)能等特點而受到廣泛重視和應(yīng)用。膜生物反應(yīng)器(MBR)利用超濾膜裝置替代二沉池,不但可高效進(jìn)行泥水分離,而且提高了生物反應(yīng)器處理效率和效果,是一種高效污水處理技術(shù)。聚偏氟乙烯(PVDF)膜材料因具有力學(xué)性能優(yōu)良、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐酸堿腐蝕、制備簡單、成本低廉而倍受關(guān)注。但因其較強的疏水性,在MBR中易發(fā)生膜污染,造成膜通量下降、膜清洗頻繁、能耗增加等問題,制約了PVDF膜在MBR中的應(yīng)用。因此,膜污染防治與控制成為MBR良好運行的關(guān)鍵問題。其中對膜材料進(jìn)行改性是提高膜通量、降低膜污染的重要方法。本研究采用5種低溫等離子體改性方法對PVDF中空纖維超濾膜進(jìn)行改性。研究了改性膜通量、表面形態(tài)及化學(xué)組成、力學(xué)性能的變化;探索了PVDF中空纖維膜接觸角及膜面、膜孔Zeta電位同步測試方法;考察了不同改性膜和原膜在MBR中的耐污染性能,分析其污染模型,解析污染阻力構(gòu)成,結(jié)合膜物理化學(xué)表征結(jié)果,明晰了改性膜性質(zhì)變化對膜污染發(fā)生的影響規(guī)律,探究低溫等離子體改性對膜耐污染性能提高的作用與機理;驗證了最優(yōu)改性膜在實際工程應(yīng)用條件下的性能表現(xiàn)。分別采用單獨氮等離子處理(PT),氮等離子體引發(fā)丙烯酸氣相接枝(PIGGP),氮等離子體引發(fā)丙烯酸液相接枝(PIGLP),丙烯酸單一等離子體化學(xué)聚合沉積(SPCVD),丙烯酸、氮氣混合等離子體化學(xué)聚合沉積(MPCVD)對PVDF中空纖維超濾膜進(jìn)行改性,并對改性膜膜固有阻力、表面形態(tài)、化學(xué)組成、膜孔徑及力學(xué)性能進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明:5種等離子體改性后的PVDF膜通量及對應(yīng)的膜固有阻力變化率均有所增加,但隨時間表現(xiàn)出不同變化規(guī)律。PT、SPCVD改性膜先上升后下降,其他改性方法基本呈緩慢上升趨勢,到20天時所有改性膜基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。最終,不同等離子體改性膜膜平均固有阻力變化率排序為:MPCVDPTPIGLPPIGGPSPCVD。X射線能譜(EDS)和傅里葉紅外光譜-衰減全反射(FTIR-ATR)分析結(jié)果都證實等離子體改性后膜表面化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,膜表面產(chǎn)生了羧酸、酰胺及羥基等官能團,而碳氮元素比(C/N)、碳氧元素比(C/O)較原膜相比都有所下降,其中C/O下降更為顯著。掃描電鏡(SEM)檢測顯示改性后膜表面粗糙度都有增加,膜孔被表面層狀或顆粒狀凝膠態(tài)物質(zhì)遮擋。力學(xué)實驗表明,改性提高了PVDF膜的力學(xué)性能,改性后膜的彈性模量有大幅提高,斷裂強力稍有增加,僅膜的斷裂伸長率略有下降,其中PT改性膜下降程度較多。對5種等離子體改性膜和PVDF原膜在MBR中的耐污染性能和清洗效果進(jìn)行了平行對比實驗,結(jié)果表明:不同膜在MBR中通量衰減符合指數(shù)衰減規(guī)律,通量衰減速率排序為PIGGPMPCVDPIGLP原膜PTSPCVD;從臨界壓力看,PIGLP改性膜約為7.7kPa,其他各膜臨界壓力在12.1kPa~14.2kPa之間;膜的初始吸附性污染程度排序為SPCVD原膜PTPIGGPPIGLPMPCVD;膜污染阻力構(gòu)成結(jié)果說明,MBR中膜污染阻力以可逆性濾餅層污染為主,但不可逆污染和殘留污染阻力差異較大:PT、PIGLP、SPCVD、MPCVD改性膜都小于1.0×1011m-1,而PIGGP改性膜和原膜的不可逆阻力及殘留阻力是其它膜兩倍左右,占總阻力比例更大,其中原膜情況最為嚴(yán)重。綜合考慮膜通量、污染速率和污染阻力大小與類型,MPCVD改性膜具有最佳的耐污染性能。利用Hermia污染模型分析了改性膜和原膜污染機理,發(fā)現(xiàn)在初期40min,膜污染屬于孔堵塞污染,污染程度排序為PIGGPMPCVD原膜SPCVDPIGLPPT,隨后轉(zhuǎn)變?yōu)闉V餅層污染機理;通過數(shù)學(xué)模型分析發(fā)現(xiàn),PIGGP和MPCVD改性膜濾餅層滲透系數(shù)小于原膜,說明等離子體改性不但通過改變膜的表面物理化學(xué)性能影響膜過濾中的污染熱力學(xué)行為,更重要的是還會對膜表面濾餅層的形成和演變產(chǎn)生顯著影響。采用SPASS 18.0軟件對klnJ-t(孔堵塞污染模型斜率)、kt/v-t(濾餅層污染模型斜率)、τ(膜污染時間常數(shù))、Rz(膜污染總阻力)、Rrf(膜可逆污染阻力)、Rirf(膜不可逆污染阻力)、Rres(膜殘留污染阻力)、Ra(膜吸附阻力)等反映膜污染性質(zhì)和程度的污染指標(biāo)因子與C/N、C/O、θ(純水接觸角)、Pmax(起始泡點壓力)、ξs(膜面Zeta電位)、ξp(膜孔Zeta電位)等反映膜物理化學(xué)性能特點的指標(biāo)因子的相關(guān)性進(jìn)行分析,結(jié)果表明:MBR中膜污染特征是以可逆阻力為主,膜孔堵塞是膜不可逆污染及殘留污染的主要成因,膜初始吸附性污染對以上阻力都有促進(jìn)作用。膜物理化學(xué)性質(zhì)因子中,膜面、膜孔Zeta電位對膜污染性能有最為重要而顯著的影響。更大的Zeta電位增加了膜與污染物質(zhì)的靜電排斥作用,降低了膜孔堵塞和濾餅層污染的發(fā)生。C/O與Rrf、Rirf、Rres的相關(guān)性表明,膜表面氧元素含量的增高會增大膜的不可逆污染及永久不可逆殘留污染。該結(jié)果提示了膜在等離子體改性時應(yīng)符合以下條件:控制等離子體刻蝕對膜孔徑的增大作用;單體選擇既要有利于增大膜表面Zeta電位,又要注意防止單體化學(xué)組成對微生物附著的促進(jìn)作用。對面積為1m2的工程用簾式膜組件,采用綜合表現(xiàn)最好的MPCVD改性方法進(jìn)行工程應(yīng)用條件下的驗證實驗,結(jié)果表明:改性膜臨界壓力提高了3kPa,膜純水通量增加12.04%~16.12%,初始吸附污染阻力降低2/3。在20:1,10:1,40:1不同氣水比條件下濾餅層阻力均有減小,產(chǎn)水能力獲得提高,這在低氣水比條件下尤為突出。說明MPCVD改性方法有利于阻止MBR中污染物靠近膜表面,形成的膜表面濾餅沉積層更薄、滲透性更強。實驗中,改性膜平均產(chǎn)水能力是未改性膜的1.58倍,驗證了MPCVD改性方法能夠有效改善PVDF超濾膜在MBR中的耐污染性能。
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X703
【圖文】：
圖 2.1 超濾膜分離原理濾速率基礎(chǔ)模型離特性一般可用兩個基本量表示，即：膜的滲透通量 J，它表示單位上透過的溶液量；膜截留率 R，表示膜對溶質(zhì)的分離性能。根據(jù)是對
圖 2.2 膜分離中物料濃度、粒徑分布及過濾阻力構(gòu)成厚度為p 的濃差極化層中，距濾餅層表面 x(0≤ ≤p )處的濃度取決物料濃度增加和向濃度梯度方向的逆向擴散作用結(jié)果。在平衡狀態(tài)下，衡算：
超濾膜經(jīng)典污染模型
【相似文獻(xiàn)】
相關(guān)期刊論文 前10條
1 樸東旭,陳雪芹;高分子材料表面的等離子體改性[J];現(xiàn)代化工;1985年03期
2 陳鐘禮;;低溫等離子體改性合成纖維的應(yīng)用[J];金山油化纖;1986年03期
3 胡寶榮;張桂玲;劉建萍;孫慕瑾;;聚四氟乙烯表面冷等離子體改性對粘接的影響[J];粘接;1990年02期
4 林曉,肖軍,余亞麗,陳捷,鄭國棟,徐紀(jì)平;CF_4等離子體表面氟化PTMSP膜[J];功能高分子學(xué)報;1992年04期
5 李曉菁,陳杰tb,王志強,肖峰;遠(yuǎn)程氮等離子體改性活性炭纖維及其吸附性能研究[J];化工環(huán)保;2004年06期
6 劉宇;賈奇博;盧詠來;王文才;王秀芬;張立群;;填料的低溫等離子體改性及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J];塑料;2010年04期
7 王振欣;梁小平;王月然;任婉婷;付中玉;李健;聶錦梅;;低溫等離子體改性效果時效性的研究進(jìn)展[J];紡織學(xué)報;2011年02期
8 孫慕瑾;金淳偉;笪有仙;;聚丙烯表面冷等離子體改性對粘接性能的影響[J];粘接;1988年06期
9 郭永強;;合成纖維表面的低溫等離子體改性[J];廣東化纖;1992年03期
10 蔡玲玲;王鑫國;方志;;射流低溫等離子體改性增強聚甲基丙烯酸甲酯薄膜表面親水性研究[J];絕緣材料;2010年06期
相關(guān)會議論文 前9條
1 馬桂秋;郭楚;原續(xù)波;盛京;;表面等離子體改性增容PP/PS合金研究[A];2009年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會論文摘要集（下冊）[C];2009年
2 張維;石海剛;劉軍;季君暉;;氮等離子體改性高分子材料表面提高抗感染性能和誘導(dǎo)骨細(xì)胞分化研究[A];第十六屆全國等離子體科學(xué)技術(shù)會議暨第一屆全國等離子體醫(yī)學(xué)研討會會議摘要集[C];2013年
3 王秀芬;趙燕飛;馬曉星;張立群;;氨/氧化硫等離子體改性PET膜研究[A];2009年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會論文摘要集（下冊）[C];2009年
4 匡同春;成曉玲;白曉軍;胡永俊;雷淑梅;;YG16硬質(zhì)合金表面原位等離子體改性納米化研究[A];2004年中國材料研討會論文摘要集[C];2004年
5 陳桂華;向仕龍;;高粱秸稈表面低溫等離子體改性[A];第二屆中國林業(yè)學(xué)術(shù)大會——S11 木材及生物質(zhì)資源高效增值利用與木材安全論文集[C];2009年
6 李昱鵬;李聲耀;雷明凱;;等離子體改性構(gòu)造聚合物納米線結(jié)構(gòu)及超疏水性研究[A];2011年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會論文摘要集[C];2011年
7 張玉軍;陳杰tb;王琛;;遠(yuǎn)程氬等離子體改性聚四氟乙烯表面的研究[A];河南省化學(xué)會2010年學(xué)術(shù)年會論文摘要集[C];2010年
8 胡文娟;陳強;蔡惠平;;大氣壓DBD等離子體改性PET表面及其電學(xué)特性研究[A];中國真空學(xué)會2008年學(xué)術(shù)年會論文摘要集[C];2008年
9 梁素珍;陳抗生;魯陽;呂榮坤;;鋁彈性體表面低溫等離子體改性及其應(yīng)用[A];中國電子學(xué)會真空電子學(xué)分會第十一屆學(xué)術(shù)年會論文集[C];1997年
相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條
1 楊慶;PVDF超濾膜低溫等離子體改性及其在MBR中的耐污染性能研究[D];蘭州交通大學(xué);2015年
2 劉洋;射頻等離子體改性聚合物潤濕及粘接性能研究[D];大連理工大學(xué);2010年
3 賈彩霞;空氣DBD等離子體對芳綸表面及其增強復(fù)合材料界面的改性研究[D];大連理工大學(xué);2012年
相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條
1 張玉曼;膜管內(nèi)低壓氣體輸運模擬及低溫等離子體改性研究[D];北京理工大學(xué);2015年
2 劉俊潔;等離子體改性PVDF超濾膜表面性質(zhì)研究[D];蘭州交通大學(xué);2015年
3 郭昌盛;低溫等離子體改性PBI纖維表面性能研究[D];西安工程大學(xué);2016年
4 郭楚;聚丙烯、聚苯乙烯表面等離子體改性及其合金化的研究[D];天津大學(xué);2007年
5 劉雪華;聚氯乙烯細(xì)管內(nèi)表面的等離子體改性研究[D];大連理工大學(xué);2010年
6 孫瑜;生物醫(yī)用聚苯乙烯膜表面的等離子體改性研究[D];陜西師范大學(xué);2011年
7 賴瑞云;低溫等離子體改性錳鎂復(fù)合催化劑催化處理NO研究[D];昆明理工大學(xué);2014年
8 劉洋;射頻等離子體聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）表面改性研究[D];大連理工大學(xué);2008年
9 唐麗華;高分子材料低溫等離子體改性的研究[D];西北師范大學(xué);2008年
10 張彥成;聚偏氟乙烯中空纖維膜的低溫等離子體改性與性能研究[D];蘭州交通大學(xué);2011年
本文編號：
2753998
