陶瓷超濾膜分離乳化油過程中膜污染機(jī)制與抗污染改性研究.pdf

1、乳化油具有穩(wěn)定的物化性質(zhì)，傳統(tǒng)處理技術(shù)很難將其有效去除，這給含油廢水的治理帶來了巨大的挑戰(zhàn)。陶瓷膜超濾技術(shù)是高效分離乳化油的方法之一，但在分離乳化油過程中產(chǎn)生的膜污染問題嚴(yán)重制約了超濾膜技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。乳化油與膜表面的性質(zhì)在很大程度上影響了陶瓷膜的污染程度，但相關(guān)研究工作相對較少，膜污染機(jī)理也尚未明確，高效的膜清洗方法依舊缺乏。解決以上問題是實現(xiàn)陶瓷超濾膜分離乳化油技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。
　　本研究揭示了乳化油性質(zhì)和陶瓷膜表面性

2、質(zhì)對膜污染的影響機(jī)制，確定了乳化油分離過程中陶瓷膜污染機(jī)理及影響因素，結(jié)合乳化油污染特性和陶瓷膜污染機(jī)理提出了高效的膜清洗方法。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2O3具有高親水性和抗污染特性，通過在陶瓷膜表面制備Fe2O3動態(tài)膜可以顯著提高膜抗污染能力。在實驗基礎(chǔ)上，建立了陶瓷膜超濾死端和錯流過濾工藝中試裝置，確定了乳化油分離最佳運行條件，并實現(xiàn)了乳化油的高效分離，證實了復(fù)合陶瓷膜技術(shù)工業(yè)應(yīng)用可行性。本研究對于實現(xiàn)陶瓷超濾膜分離乳化油技術(shù)的工業(yè)化具有重要

3、理論指導(dǎo)和實際應(yīng)用意義。
　　首先模擬實際乳化油的組成和性質(zhì)，確定了人工合成乳化油條件：油含量100mg/L、乳化劑量10mg/L、超聲時間50min、振幅強度80％（96μm）。在此條件下合成的乳化油性質(zhì)穩(wěn)定，與實際乳化油性質(zhì)相近，油滴粒徑尺寸為356nm，zeta電位為-45.3mV?？疾炝巳榛徒M成與性質(zhì)之間的關(guān)系：基底油種類很大程度上影響了乳化油的油滴尺寸，其重組分越多，合成乳化油的油滴尺寸越大；表面活性劑類型決定了乳化油

4、的電性，陽離子表面活性劑合成乳化油為電正性，陰離子表面活性劑合成乳化油為電負(fù)性。在pH5-10的范圍內(nèi)，乳化油的zeta電位值和油滴尺寸變化不大；當(dāng)pH<5時，油滴會吸附更多H+離子使其zeta電位升高，導(dǎo)致油滴間的靜電斥力減弱，絮凝和聚結(jié)作用增強，油滴尺寸變大。
　　考察了乳化油性質(zhì)對陶瓷膜污染的影響：乳化油油滴尺寸越小，引起的不可逆污染越嚴(yán)重，原因是更多小尺寸油滴進(jìn)入膜孔道導(dǎo)致了不可逆的孔堵塞污染；不同電性乳化油引起的膜污染程

5、度明顯不同，當(dāng)乳化油電性與膜面電性相反時，陶瓷膜的不可逆污染程度較輕，對比膜污染前后截面電鏡圖發(fā)現(xiàn)，過濾相同電性乳化油時陶瓷膜的孔堵塞污染更多。提出了陶瓷超濾膜的污染機(jī)理：表面活性劑在膜污染過程中起了至關(guān)重要的作用，位阻效應(yīng)和破乳效應(yīng)是過濾相反電性乳化油時膜不可逆污染減輕的主要因素。利用經(jīng)典膜污染模型對膜污染過程進(jìn)行分析，并對過濾前后水質(zhì)進(jìn)行分析，其分析結(jié)果均支持提出的膜污染機(jī)理。此外，通過實驗證實了位阻效應(yīng)和破乳效應(yīng)的存在，進(jìn)一步確定

6、了提出的膜污染機(jī)理。根據(jù)膜污染機(jī)理和乳化油污染特性，確定了最佳膜清洗條件：先用3g/L十二烷基磺酸鈉清洗60min，再經(jīng)1.2g/L氫氧化鈉在80℃清洗40min，膜通量恢復(fù)率為98.8%。
　　考察了陶瓷膜過濾層氧化物的性質(zhì)對膜污染的影響。將五種氧化物（TiO2，F(xiàn)e2O3，MnO2，CuO和CeO2）通過脈沖激光技術(shù)沉積到陶瓷膜表面作為過濾層，并對乳化油進(jìn)行分離。研究發(fā)現(xiàn)，過濾層氧化物性質(zhì)與陶瓷膜抗污染性能密切相關(guān)：氧化物的表

7、面羥基基團(tuán)（MeO-H）很大程度上決定了其親水性，而氧化物的親水性是影響陶瓷膜抗污染性能的主要原因，表面羥基基團(tuán)的鍵能越強其親水性越強，陶瓷膜的不可逆污染程度越低，五種氧化物過濾層陶瓷膜的不可逆污染程度依次為：Fe2O3

8、油滴直接進(jìn)入膜孔，吸附并堵塞部分膜孔道導(dǎo)致有效膜孔尺寸減小；第二階段膜通量迅速下降，是由于膜面凝聚的大油滴覆蓋了大部分膜孔，導(dǎo)致有效膜孔尺寸顯著減小。對五種氧化物對比分析后發(fā)現(xiàn)Fe2O3在親水性和抗污染方面優(yōu)勢明顯，可作為一種新的抗污染陶瓷膜材料用于乳化油廢水的處理。
　　為了提高陶瓷膜抗污染能力，通過兩種方式（預(yù)涂和自生）在其表面原位合成高親水性Fe2O3動態(tài)膜，與陶瓷膜組成復(fù)合陶瓷膜。對比研究發(fā)現(xiàn)：預(yù)涂復(fù)合陶瓷膜的污染程度較低

9、，其原因是氧化鐵動態(tài)膜提高了陶瓷膜表面親水性，減少了油滴與陶瓷膜面的接觸，且表層受污染氧化鐵顆粒較易被反沖去除；自生復(fù)合陶瓷膜污染程度較高，其原因是在動態(tài)膜制備過程中，油滴堵塞在其孔道中，通過反沖方式難以去除，且由于油滴的吸附架橋作用，表層氧化鐵顆粒較難反沖去除。利用弱堿水對預(yù)涂復(fù)合陶瓷膜反沖洗，顯著提高了其通量恢復(fù)率，主要原因是弱堿條件下動態(tài)膜表面電性改變，有利于表面油滴脫附和表層氧化鐵顆粒洗脫。在實驗基礎(chǔ)上，建立了死端和錯流兩種過濾