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万印华研究员团队在纳滤膜污染机理研究方面有新发现

     发布时间:2019-04-22 

据膜科学与工程微信公众平台2019年4月19日讯 膜分离技术虽然具有绿色高效等优势,但在实际应用过程中,溶质会不可避免的聚集/吸附在膜面或膜孔内,即形成膜污染。传统理论认为,膜污染(如滤饼层或孔内污染)会导致膜的传质阻力增大,在恒通量条件下膜对溶质的截留率会上升。但近期中国科学院过程工程研究所万印华研究员团队在研究水中多环芳烃(PAHs)对聚酰胺纳滤膜的污染机理时发现,膜污染虽然会导致纳滤膜渗透通量下降,但其在恒通量操作下对中性亲水小分子的截留率却保持不变。
  PAHs是一种由多个苯环组成的有机微污染物,具有强烈的致畸和致癌性,主要来源于各种碳材料(化石燃料和生物质等)的不完全燃烧。各类工业废水(主要是焦化废水)中都含有大量的PAHs。由于纳滤膜可高效截留小分子有机物,通常作为废水处理的终端步骤,因此解析PAHs对纳滤膜的污染机理,对含PAHs废水的处理具有重要的指导意义。焦化废水中存在的PAHs主要包括萘及萘的甲基化衍生物,以及由三到五个苯环组成的PAHs,它们的分子量一般都低于500 Da。基于此,研究人员选择了五种商品化聚酰胺纳滤膜,研究了它们在处理含PAHs模拟料液和真实焦化废水过程中的截留和污染机理。萘,6-甲氧基-1,2,3,4-四氢萘和芘(包含四个苯环)被选为模型污染物。
  该研究团队发现聚酰胺纳滤膜对PAHs有很强的吸附能力,过滤初期,PAHs在纳滤膜上吸附是其主要截留机理。但由于溶解-扩散作用,被膜吸附的PAHs会逐渐扩散解吸透过膜,导致其表观截留率下降。分子排阻作用是纳滤膜去除PAHs的另一重要机理,PAHs分子量越大,极性越弱,在膜上吸附量越低,膜对其分子排阻作用越强。然而,虽然PAHs吸附会造成膜渗透通量和孔隙率下降,但并不一定导致纳滤膜的平均孔径变小和对中性小分子截留率变大。通过分析纳滤膜处理PAHs前后的孔径分布,发现对孔径较小且孔径分布较窄的膜(如NF270),PAHs会无差别的吸附在几乎所有膜孔中。虽然这种无差别吸附会造成膜孔堵塞,但膜的孔径分布和平均孔径却基本不变。对于孔径较大且孔径分布较宽的膜(如NF10),PAHs主要吸附在纳滤膜的大孔中(扩散阻力低,局部通量高),产生缩孔效应导致其孔径分布变窄和平均孔径变小。但由于该纳滤膜在吸附PAHs后的孔径仍远大于一些亲水中性小分子的水合半径(葡萄糖和丙三醇等),所以PAHs吸附基本不会影响纳滤膜对它们的截留能力。


万印华研究员团队在纳滤膜污染机理研究方面有新发现


  当用纳滤膜处理含PAHs的真实焦化废水时,废水中包含的无机盐及其它有机物会导致更严重的膜污染现象,膜通量大幅衰减,但PAHs的截留率在膜污染到一定程度时有略微上升。通过简单的化学清洗,基本可清除吸附在膜上/内的PAHs,但清洗液中的PAHs仍会造成二次污染。
  该研究得到水污染控制与治理重大科技计划 (2017ZX07402001-004)、中国科学院青年促进创新计划(2017069)的资金支持。相关研究成果发表在Journal of Membrane Science, 582, 2019 ,264-273。

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