本文以超濾膜的膜孔密度和膜孔徑等作為膜結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)對膜結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了測定，建立了超濾水處理過程中反映膜結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的膜結(jié)構(gòu)參數(shù)模型，主要以二級處理水為原水，對臭氧氧化、混凝、粉末活性炭(PAC)吸附等不同預處理方法、水質(zhì)環(huán)境條件、膜材料性質(zhì)、不同操作條件及運行模式(恒流或恒壓)等對超濾水處理過程的影響進行了深入系統(tǒng)的研究，并用建立的模型對膜結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化特征進行了評價。主要成果如下： (1)用場發(fā)射掃描電鏡和專業(yè)圖像分析處理軟件對超濾膜進行了處理分析，統(tǒng)計得出了超濾膜的膜孔密度、平均膜孔徑、膜面孔隙率等膜結(jié)構(gòu)參數(shù)。 (2)根據(jù)流體力學基本原理，以膜孔密度和平均膜孔徑作為膜結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別針對恒壓和恒流過濾模式，引入膜孔徑變化系數(shù)α_1和膜孔密度變化系數(shù)α_2兩個評價因子，建立了評價超濾水處理過程的膜結(jié)構(gòu)參數(shù)模型。模型表達式為： (3)通過試驗數(shù)據(jù)對所建立的超濾膜結(jié)構(gòu)參數(shù)模型進行了擬合，結(jié)果顯示，該模型能較好地模擬超濾水處理過程。通過模型參數(shù)α_1和α_2可以評價超濾水質(zhì)凈化過程中，水中有機物是以膜孔內(nèi)吸附、還是以膜表面膜孔堵塞為主導，主要是受水中有機物分子量大小及分布、有機物親疏水性、離子強度等哪一種水質(zhì)性狀的影響較大。這就為結(jié)合膜結(jié)構(gòu)特性和原水性狀兩個方面評價超濾膜污染過程提供了方法。 (4)試驗通過臭氧預處理來改變二級處理水中有機物的分子量分布，并采用PVDF-300平板超濾膜對不同有機物分子量分布的二級處理水進行了超濾試驗，研究發(fā)現(xiàn)水中有機物分子量分布與超濾過程中膜的各部分阻力之間大致有如下關(guān)系：①1／3＞d／φ＞2／15(d為水中有機物分子尺寸，φ為膜孔直徑)的有機物易在膜孔內(nèi)表面產(chǎn)生吸附，而d／φ＜2／15時，有機物則易透過膜孔；②1＞d／φ＞1／3的有機物主要形成膜表面和膜孔內(nèi)的堵塞，5／3＞d／φ＞1的有機物主要形成膜表面的堵孔；③d／φ＞1特別是d／φ＞5／3的有機物(包括溶解態(tài)和顆粒態(tài))則是形成膜表面濾餅的主體。同時，試驗也發(fā)現(xiàn)，在幾種超濾膜阻力中，堵孔阻力對膜污染阻力的影響較大，當臭氧接觸1min時，可以顯著降低膜的堵孔阻力，從而有效減緩膜的污染。 (5)分別采用混凝、粉末活性炭(PAC)吸附、臭氧—PAC聯(lián)用等方法對二級處理水進行了預處理，考察了不同預處理方法對超濾膜過濾性能的影響：①結(jié)合膜結(jié)構(gòu)參數(shù)模型，發(fā)現(xiàn)二級處理水超濾過程中，a_1和a_2均較大，說明膜平均孔徑和膜孔密度均下降得較快，即二級處理水中含有大、小分子量的物質(zhì)較多；②混凝處理后，a_1變化不大，a_2變小，說明膜平均孔徑減小較快，膜孔密度的減小平緩，即混凝對高分子物質(zhì)有一定量的去除，而對小分子物質(zhì)去除較少；③經(jīng)粉末活性炭(PAC)和臭氧—PAC聯(lián)用處理后，由于PAC對低分子物質(zhì)的吸附，使得膜平均孔徑的變化得到了緩解，臭氧氧化使二級處理水中大分子量有機物有所減少，膜孔密度的減小變得更加平緩。 (6)二級處理水中親水性和疏水性有機物的分子量分布較相似，主要是分子量小于2kDa的小分子有機物含量較多。通過含三種不同性狀的有機物水樣的超濾試驗，發(fā)現(xiàn)二級處理水中親水性有機物是引起膜污染的主要物質(zhì)。同時，二級處理水中離子強度越大，膜通量的衰減越快，其衰減程度隨著離子強度的增加而增加。 (7)采用6種材質(zhì)的超濾膜對二級處理水進行了過濾試驗，研究了不同膜材料性質(zhì)對超濾性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，膜的孔徑分布越寬、孔形越規(guī)則越易發(fā)生膜孔堵塞污染，造成膜孔密度下降，其過濾初期通量衰減會越快；膜過濾層越厚、孔形越不規(guī)則越易發(fā)生膜孔內(nèi)部污染，造成膜孔孔徑窄化，在過濾末期通量衰減較快。 (8)針對超濾水處理過程的膜污染特性，發(fā)現(xiàn)對原水進行適當?shù)念A處理，改變水中有機物的分子量分布等性狀，同時采用低壓恒流過濾模式，并輔之以相應的反沖洗和表面快洗相結(jié)合的清洗方式等措施可以有效控制膜污染、減緩膜通量衰減，提高膜的過濾性能，延長膜的使用壽命。
【學位單位】：西安建筑科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2007
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

圖2.2PVDF一300膜SEM圖片(X15k)圖2.3經(jīng)圖像處理后的PVDF一300膜SEM圖片(x15k)Fig.2.2OriginalSEM加ageonFig·2·3TreatedSEM汕ageonPVDF一300(at15kx)PVDF一300(at15kx)(2)滲透率法測定膜孔徑

每個樣隨機選取10一12張電鏡圖片，共得到300多張圖片。圖2.2即是試驗所得的一張SEM電鏡圖片。所得電鏡圖片經(jīng)專業(yè)圖象分析軟件進行兩色處理I9]，使得圖片上只有黑白兩色，如圖2.3所示為圖2.2經(jīng)兩色處理后的圖片。在圖2.3中，黑色代表膜孔，白色代表膜面。為了研究的方便，我們假定每個膜孔均為獨立的圓形孔。然后采用專業(yè)圖象處理分析軟件進行分析，分別獲得膜孔

圖2.4PVDF一300膜SEM圖片(x30k)圖2.5經(jīng)圖像處理后的SEM圖片(X30PVDF一300膜Fig，2.4OriginalSEMimageonFig.2.5[圖片(X30k)腸e雍dSEMimageonPVDF一300(at3Okx)PVDF一300(at30k又)圖2.6是用場發(fā)射掃描電鏡獲得的一張電鏡圖片，圖2.7是圖2.6經(jīng)圖像處理后

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本文編號：2817470