基于正滲透技術(shù)的藻水分離研究.pdf

1、近年來，在水環(huán)境污染、全球溫室效應(yīng)等背景下，利用能源微藻對污水進行深度處理、吸收空氣中的CO2并生產(chǎn)油脂受到越來越大的關(guān)注，但后續(xù)藻水分離成本費用高、傳統(tǒng)分離技術(shù)會造成環(huán)境二次污染是藻體大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用于污水深度處理的瓶頸所在。因此，如何高效且經(jīng)濟地實現(xiàn)藻水分離，同時保證出水水質(zhì)對我國污水深度處理模式的發(fā)展具有重要意義。正滲透技術(shù)不需外在附加壓力，所以具備低能耗的特點，但將正滲透技術(shù)實際應(yīng)用在藻水分離中，仍存在出水通量低、膜污染嚴重、傳

2、統(tǒng)驅(qū)動液難回收、以及分離效率低等問題。針對上述問題，本文構(gòu)建正滲透系統(tǒng)，構(gòu)建過程中主要篩選驅(qū)動液離子種類、濃度及膜材料;選用小球藻為實驗藻體，通過模擬藻水和真實藻水深入探究正滲透藻水分離性能;為了提高正滲透出水通量和回收再利用驅(qū)動液，本文還嘗試制備氨基功能化磁性納米復(fù)合材料Fe3O4@SiO2-NH2和Fe3O4-CMC@SiO2-NH2用作正滲透驅(qū)動液的探索性試驗。主要內(nèi)容包括如下4個方面:
　　(1)構(gòu)建正滲透系統(tǒng)，對比HTI

3、公司商業(yè)化聚酰胺(TFC)正滲透膜與醋酸纖維(CTA)膜的鹽截留率和水通量變化。研究表明:在相同操作條件和驅(qū)動液濃度下， TFC正滲透膜的正滲透起始水通量略大于醋酸纖維(CTA)膜，但CTA膜支持層表面致密性優(yōu)于TFC膜，可有效阻止溶質(zhì)分子滲透進入支撐層從而降低內(nèi)濃差極化(ICP)，4小時后水通量衰減小于TFC膜。所以從持久性考慮，本文后續(xù)正滲透實驗均采用CTA膜。對比金屬和非金屬無機鹽作為驅(qū)動液性能，并進一步改變金屬無機鹽溶液的離子種

4、類、價態(tài)及濃度(研究對象Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、 Al3+)，表明非金屬無機鹽（NH4+）作驅(qū)動液時，最高初始水通量可達16.5 L/(m2·h)，但4小時衰減量約有25％，而相同價態(tài)金屬無機鹽作驅(qū)動液時水通量基本不衰減;提高驅(qū)動液金屬無機鹽濃度，出水通量呈現(xiàn)上升趨勢，但不符合線性關(guān)系;進一步提高驅(qū)動液金屬無機鹽價態(tài)，出水通量明顯上升，但三價金屬無機鹽不適合于正滲透藻水分離。
　　(2)將篩選出的優(yōu)勢離子作為驅(qū)

5、動液對模擬藻水進行正滲透藻水分離，驅(qū)動液選用濃度為1 mol/L的一價、二價金屬無機鹽。和一價金屬無機鹽NaCl、KCl相比，利用二價金屬無機鹽CaCl2、 MgCl2為驅(qū)動液時，初始出水通量高達20L/(m2·h)，且反滲的二價金屬無機鹽質(zhì)量及藻體對其的吸收或吸附作用都顯著小于一價金屬無機鹽，但是二價金屬無機鹽為驅(qū)動液時，出水通量衰減明顯且膜污染嚴重。這可能是由于二價金屬無機鹽溶液產(chǎn)生較大的驅(qū)動性，滲透壓越高，膜內(nèi)的內(nèi)濃差極化越大，結(jié)

6、果出水通量下降更快，同時二價金屬離子反滲后會和藻體中一些官能團形成復(fù)合物，這可能是造成水通量衰減明顯且膜污染嚴重的原因之一，最后導(dǎo)致高效藻水分離的持續(xù)性降低。所以從正滲透持續(xù)穩(wěn)定性考慮，一價金屬無機鹽溶液優(yōu)于二價金屬無機鹽溶液。
　　(3)以一價金屬無機鹽溶液作為驅(qū)動液，進一步考察真實藻水體系正滲透分離性能。采用共聚焦顯微鏡、掃描電鏡、倒置熒光生物顯微鏡、紅外光譜、Etasizer Nano ZS納米粒度和Zeta電位分析儀等分別

7、表征藻體各個生長周期的生物量、胞內(nèi)組成、Zeta電位、胞外多聚物(EPS)以及藻體滲透壓，然后考察生物量濃度和培養(yǎng)周期對正滲透出水通量的影響。當藻體處于指數(shù)生長期，藻體Zeta電位從-21mV突降到-26.5mV，由于與膜的靜電排斥作用，有利于減緩膜污染;在藻體整個生長周期中，胞內(nèi)多糖比例不斷上升，蛋白含量則不斷下降;而EPS在指數(shù)生長期產(chǎn)生速度最快，其中有機物在附著性胞外多聚物(BEPS)中的含量要高于其在溶解性胞外多聚物(SEPS)

8、，所以在指數(shù)生長期進行藻水分離，水通量衰減相對較小，膜污染程度也比較低。藻體濃度對藻水分離水通量衰減影響顯著，相同條件下正滲透運行4小時后，藻體濃度為0.1 g/L的藻水混合液出水通量穩(wěn)定在5.5 L/(m2·h)，而藻體濃度為0.8 g/L的藻水混合液出水通量僅穩(wěn)定在4 L/(m2·h)，穩(wěn)定通量相比藻體濃度為0.1 g/L下降約30％。
　　(4)制備功能化磁性納米粒子作為新型驅(qū)動液，發(fā)現(xiàn)硅烷化包裹后氨基官能團修飾可以提高磁性