聚乙烯醇改性無(wú)紡布復(fù)合膜的制備與耐污染性能研究.pdf

1、本實(shí)驗(yàn)研究以國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的、價(jià)格低廉的過(guò)濾材料—無(wú)紡布代替目前MBR中通常使用的高分子膜材料；為了預(yù)防和減少膜污染，以聚乙烯醇(PVA)為改性材料，采用表面涂敷法對(duì)疏水性的無(wú)紡布表面進(jìn)行親水改性，制備了PVA改性無(wú)紡布復(fù)合膜，用于廢水處理。本研究主要考察了制膜工藝和制備條件對(duì)PVA改性無(wú)紡布復(fù)合膜性能的影響以及復(fù)合膜的耐污染性能；并借助全反射紅外光譜(ATR-FTIR)、X光電子能譜(XPS)以及掃描電子顯微鏡(SEM)等現(xiàn)代分析技術(shù)對(duì)

2、復(fù)合膜的表面微觀結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征和分析。研究?jī)?nèi)容有： (1)考察了有/無(wú)親合劑(聚乙二醇)預(yù)處理以及改變PVA濃度、催化劑濃度、涂膜時(shí)間、熱處理溫度和時(shí)間，復(fù)合膜的純水通量和靜態(tài)水接觸角的變化。結(jié)果表明：親水化預(yù)處理有利于PVA均勻地附著于無(wú)紡布的表面，但是復(fù)合膜純水通量明顯小于沒(méi)有預(yù)處理的復(fù)合膜，而兩者的靜態(tài)接觸角則沒(méi)有顯示出較大的差別。增加PVA和交聯(lián)劑濃度以及涂膜時(shí)間、熱處理溫度和時(shí)間，均使復(fù)合膜的純水通量降低

3、。PVA改性使無(wú)紡布表面的親水性能得到明顯改善。 (2)采用無(wú)親合劑預(yù)處理的制膜工藝，考察了PVA濃度以及交聯(lián)劑濃度、基膜(無(wú)紡布)公稱(chēng)孔徑對(duì)復(fù)合膜的純水通量、截留率、固定度以及拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：增加PVA和交聯(lián)劑的濃度以及減小基膜公稱(chēng)孔徑，均使復(fù)合膜的純水通量降低，對(duì)聚丙烯酰胺(分子量860萬(wàn))的截留率提高。PVA在無(wú)紡布表面的固定度隨著PVA濃度增大而增加，但交聯(lián)劑濃度變化對(duì)固定度的影響不明顯。PVA改性增

4、強(qiáng)了無(wú)紡布的機(jī)械性能，復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度均大于未改性無(wú)紡布，但受鑄膜液中PVA濃度和交聯(lián)劑濃度變化的影響。 (3)ATR-FTIR、XPS以及SEM對(duì)復(fù)合膜的表面微觀結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的表征和分析結(jié)果表明：基于吸附、沉淀等物理化學(xué)作用的改性方法，改變了無(wú)紡布的表面性質(zhì)和表面分子結(jié)構(gòu)，在無(wú)紡布表面引入了基團(tuán)-OH和C-O-C，且羥基以多種形式存在于改性無(wú)紡布的表面。通過(guò)化學(xué)交聯(lián)作用增強(qiáng)了PVA薄膜分子間的相互作用，同時(shí)保留

5、了無(wú)紡布的基本結(jié)構(gòu)。改性后無(wú)紡布表面的組成元素中有C、O兩種元素。C元素有三種結(jié)合形式，除了C-H外，增加了C-O和O-C-O兩種結(jié)合形式。改性無(wú)紡布中由于含氧基團(tuán)的引入，O元素的相對(duì)含量顯著增加，C元素相對(duì)含量有所降低。PVA改性使無(wú)紡布的空隙率減小，表面變得更光滑。在斷面掃描圖中發(fā)現(xiàn)存在明顯的界面層，說(shuō)明在無(wú)紡布的表面復(fù)合了PVA薄膜，形成了復(fù)合膜結(jié)構(gòu)。 (4)通過(guò)靜態(tài)吸附牛血清蛋白(BSA)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)處理人工廢水實(shí)驗(yàn)，研究

6、了復(fù)合膜的耐污染性能。PVA濃度為0.8wt％時(shí)得到的改性無(wú)紡布，對(duì)BSA吸附量最小，與未改性無(wú)紡布相比，BSA吸附量降低了83.4％，說(shuō)明無(wú)紡布經(jīng)PVA改性后能有效抑制BSA的吸附，增加無(wú)紡布的耐污染性能。改性前后無(wú)紡布的膜污染指數(shù)(MFI)分別為0.9519和0.2238，改性無(wú)紡布顯示了良好的耐污染性能。采用統(tǒng)計(jì)分析方法研究了MBR中的胞外聚合物(EPS)、溶解性EPS(EPSs)組分中的P/C(蛋白質(zhì)/多糖)、活性污泥的相對(duì)疏水

7、性(RH)與膜污染阻力的相關(guān)性。結(jié)果表明：EPSs以及其組分中的P/C、RH對(duì)膜污染阻力有明顯影響，與改性無(wú)紡布/未改性無(wú)紡布膜污染阻力的皮爾遜相關(guān)系數(shù)rp分別為：0.868/0.856、0.840/0.866、0.890/0.841。改性無(wú)紡布表面能有效抑制EPSs的吸附，降低EPSs中的P/C，減少活性污泥的吸附沉積，降低膜污染。 (5)將PVA改性無(wú)紡布復(fù)合膜的膜組件置于處理人工廢水的浸沒(méi)式膜生物反應(yīng)器(SMBR)中，實(shí)驗(yàn)

8、結(jié)果表明：改性無(wú)紡布雖然能有效減少膜污染，降低膜污染阻力，但在過(guò)濾過(guò)程中仍存在膜污染現(xiàn)象。改性無(wú)紡布的過(guò)濾阻力主要為膜污染阻力。在引入比污染阻力概念的基礎(chǔ)上，以描述壓力驅(qū)動(dòng)過(guò)濾過(guò)程中膜通量與阻力關(guān)系的Darcy定律為基礎(chǔ)，建立了描述SMBR間歇方式運(yùn)行時(shí)，濾餅阻力控制的過(guò)濾過(guò)程中的比污染阻力與時(shí)間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型：Rstf(t)=a(1-e-t/b)，利用此模型能夠預(yù)測(cè)運(yùn)行過(guò)程中膜通量的衰減趨勢(shì)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：J(t)=TMP/μ[Rm