MOF/GO复合纳滤膜的制备及对染料废水处理性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:fanleejohn
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随着社会经济发展和水环境恶化,有机染料废水的分离成为水环境保护中不可忽视的重要一环,其色度高、可生化性差、毒性大,对环境和人类健康具有潜在威胁,加强对染料废水处理方法的研究至关重要。在众多技术中纳滤膜分离技术以其处理效果好、无二次污染等优势脱颖而出。为了突破目前膜技术难以同时获得高水通量和高截留率的trade-off上限,本文选用亲水的二维材料氧化石墨烯(GO)作为膜有效截留层,其丰富的羧基、羟基、环氧基团能够提供大量改性位点。传统的GO膜由于相邻纳米片之间的强相互作用,容易堆叠导致层间距变窄,限制了水通量的增加。通过多孔道结构的ZIF-8、亲水性单宁酸(TA)对GO层间距进行调整,为增大水分子运输通道和避免堆积提供了解决方案。并将试验与计算流体力学(CFD)模拟技术结合,为纳滤膜在实际应用中运行方案的设计提供指导。本研究分别采用共混法与层层自组装法制备ZIF-8/GO复合纳滤膜(ZG-NF),以聚醚砜(PES)膜为基底,利用ZIF-8调节GO层间距,对复合膜材料进行表征和性能测试,比较两种制备方法在不同操作条件下对改性纳滤膜材料的微观结构及染料过滤性能的影响。结果表明ZIF-8的Zn2+与GO的羧基通过强相互作用成功结合,改性后的GO复合膜厚度与层间距显著增大。共混法制备的ZIF-8/GO纳滤膜(B-ZG-NF)的甲基蓝(MB)溶液水通量达40.58 L/m2/h/bar,相比于未改性的GO纳滤膜通量提升了1.46倍,层层自组装法制备的ZIF-8/GO纳滤膜(L-ZGNF)的MB溶液水通量相比于未改性的GO纳滤膜通量提升了1.43倍,两种方法MB截留率都达到90%以上。采用TA对ZIF-8/GO复合纳滤膜进一步改性,利用TA在ZIF-8/GO复合膜基底的沉积,制备TA-ZG-NF,对复合膜材料进行表征和测试,探究TA的浓度及沉积时间对改性纳滤膜材料微观结构及染料过滤性能的影响。结果表明TA成功通过π-π相互作用吸附到GO上,同时TA也掺入了ZIF-8纳米颗粒,起到对GO层间距的精准调控作用。相比于层层自组装法制备的ZIF-8/GO纳滤膜,TA-ZG-NF的MB通量提高了15.04%。基于改性纳滤膜处理染料废水的试验结果,采用计算流体力学软件Fluent对染料废水处理进行仿真模拟,探究水力操作条件对染料废水纳滤浓差极化的影响。结果表明流动为层流时,浓差极化导致纳滤膜大部分区域通量保持在低水平。提高流速使流动成为湍流时,浓差极化的影响得到削减。
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