【摘 要】
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纳滤膜技术因其出水水质好、分离过程无相变、工艺运行简单以及便于模块化设计等优点在膜法水处理中备受关注。但是,纳滤膜组件的高运行成本限制了其进一步的推广和应用。在不增加运行压力和保持产水水质的前提下,提升纳滤膜通量可以在很大程度上降低系统的运行能耗和使用成本。尽管利用界面聚合(IP)法制备的薄膜复合(TFC)纳滤膜已经商品化,但在饮用水处理领域依然存在着通量低、分离选择性差以及抗污染性能不足等问题。
【基金项目】
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国家自然科学基金青年基金项目(51908334); 山东省高等学校“青创团队计划”(2022KJ206); 山东省引进顶尖人才“一事一议”项目(0031504);
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纳滤膜技术因其出水水质好、分离过程无相变、工艺运行简单以及便于模块化设计等优点在膜法水处理中备受关注。但是,纳滤膜组件的高运行成本限制了其进一步的推广和应用。在不增加运行压力和保持产水水质的前提下,提升纳滤膜通量可以在很大程度上降低系统的运行能耗和使用成本。尽管利用界面聚合(IP)法制备的薄膜复合(TFC)纳滤膜已经商品化,但在饮用水处理领域依然存在着通量低、分离选择性差以及抗污染性能不足等问题。针对这些问题,本文从膜制备角度出发,采用温度辅助界面聚合策略制备了适应于饮用水处理的高性能纳滤膜。系统评价了界面温度调控对纳滤膜形貌特征、结构组成和分离特性的影响,同时系统评价了制备的纳滤膜对典型重金属离子以及天然地表水的处理效果。通过调节油相温度(-15、5、20、35和50℃),探究了界面反应温度对纳滤膜性能的影响。研究发现,较低的界面温度有利于形成超薄且光滑的聚酰胺(PA)膜,改性纳滤膜具有高渗透性、高截留性和优异的抗污染性能。相反,在高界面温度下制备的纳滤膜表现出粗糙、致密和厚的PA膜,具有中等的渗透性、优异的脱盐性和较高的重金属截留效果。其中,TFCM@50膜表面呈现出特殊的咖啡环状形态,这可能是由高温引起的界面不稳定造成的。此外,在三个周期的污染过滤实验中,低温下制备的纳滤膜表现出更强的抗污染性能和更高的运行稳定性。鉴于改性膜优异的分离效率和操作可行性,温度辅助IP策略(TAIP)策略在高性能纳滤膜的规模化制备方面方面具有很大的应用潜力。基于TAIP策略,以-15℃作为界面聚合的反应温度,通过调节哌嗪(PIP)投加量(0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 wt%)制备了表面光滑的低压纳滤膜,并以实际水体为处理对象,探究了低压纳滤膜在水资源回用方面的应用潜力。研究发现,低温辅助界面聚合(LTIP)可以有效地降低PIP扩散和IP反应速率,从而形成超薄且光滑的PA薄膜。其中,NFM-0.2膜表现出超高的渗透性和对Na2SO4优异的截留率。利用NFM-0.2膜对天然地表水进行处理发现,改性膜对DOC、UV254、BPA和大分子有机物的去除率均大于75.5%。此外,地下水经纳滤膜处理以后,水中有机物和总硬度显著降低,饮用水水质得到显著提升。考虑到LTIP方法的可行性和实用性,该策略为低压纳滤膜的制备提供了一种可行的思路。基于LTIP策略,分别将底膜、水相和油相进行低温处理,从而深入探究不同低温处理方式对于PA纳滤膜的性能影响及在饮用水处理中的应用潜力。实验结果表明,不同低温介质对纳滤膜的表面形貌和过滤性能影响较大。其中,TFC-水相膜渗透性相比TFC-常温提高了67.2%,同时保持97.5%的Na2SO4截留率。此外,低温使得TFC-油相膜缺陷更少和负电性更强,显著提高了纳滤膜的分离性能,并且在地下水的过滤实验中表现出对天然有机物较高的截留能力。实验结果表明对水相和油相进行低温处理可实现高性能纳滤膜的导向性设计,有望拓展低压纳滤膜在饮用水深度处理中的应用。本论文围绕界面温度调控策略制备了高通量、高选择性的纳滤膜,解决了纳滤膜在饮用水处理过程中运行压力高、抗污染性能不足以及分离选择性差等问题。从表面形貌、化学结构和膜性能评价三个方面对不同类型的纳滤膜进行了详细的表征,同时对膜性能提升机理和在饮用水处理过程中的应用潜力进行了深入分析和探讨。因此,本研究为制备高性能纳滤膜提供了一种经济有效的方法。
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