改性催化陶瓷膜制备及过一硫酸盐氧化膜清洗方法研究

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陶瓷膜过滤技术和高级氧化工艺在水环境治理和水资源循环利用中发挥了重要作用。利用金属氧化物对陶瓷膜进行改性可增强其亲水性以提高其抗污染能力同时可以使其在高级氧化过程起到催化剂的作用。将硫酸根自由基高级氧化技术应用于改性陶瓷膜清洗中,具有彻底降解污染物、高效环保以及清洗效率高等积极意义。本课题研究了Co3O4&δ-Fe OOH纳米颗粒改性陶瓷膜的制备并对其过滤性能进行测试,分析了膜污染的可逆性,通过污染模型拟合分析进一步揭示了改性陶瓷膜污染机理。比较了各种清洗方法对被腐殖酸(HA)污染的改性陶瓷膜的清洗效果,并提出了过一硫酸盐(PMS)催化氧化清洗改性陶瓷膜的可能机理。首先通过超声混合、冷冻干燥制备了Co3O4&δ-Fe OOH纳米颗粒。综合SEM/EDS、XRD、FTIR以及N2等温吸附脱附测试的表征结果可知,所制备的改性材料具有较大的比表面积以及表面存在着较大密度的羟基,具有较好的亲水性和催化性能进而有利于膜滤和高级氧化过程。采用“共价偶联法”,通过浸渍-干燥获得了改性陶瓷膜Co Fe CM,改性后亲水性增强,缓解了膜污染尤其是水力可逆污染。滤饼层过滤和标准阻塞主导了Co Fe CM的膜污染过程,膜改性缓解了滤饼层污染。比较了不同清洗方式对被HA污染的Co Fe CM的清洗效果,3种化学清洗方法(H2SO4、Na OH、PMS)中,PMS清洗表现出了最佳的清洗效果,纯水通量恢复率为80%±2%。PMS清洗主要去除了不可逆污染。物理清洗、PMS清洗的结果与串联阻力分析结果不可逆污染占比大于可逆污染相符合。提出了PMS催化氧化清洗改性陶瓷膜的可能机理。具体包括自由基氧化机理和非自由基氧化机理。自由基氧化途径主要产生作用的自由基为SO4·和OH·,Co3O4和δ-Fe OOH的复合实现Co2+的高效再生,且Co3O4&δ-Fe OOH表面存在着一定的羟基,增强了对PMS的催化作用,进而强化污染物的降解过程。非自由基氧化途径主要包括单线态氧(1O2)和PMS直接氧化。
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