基于碳納米管分離膜的制備及其電化學(xué)輔助膜分離性能的研究.pdf

1、膜分離具有高效、環(huán)保、節(jié)能、操作簡(jiǎn)便、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，在水處理領(lǐng)域具有極其廣闊的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)膜分離的主要機(jī)理是機(jī)械篩分，即截留尺寸大于或近似于膜孔徑的污染物，而無(wú)法去除尺寸小于膜孔徑的污染物。同時(shí)，膜滲透性與膜選擇性之間的矛盾關(guān)系以及膜污染等問(wèn)題也嚴(yán)重制約著膜分離的推廣應(yīng)用。針對(duì)這些問(wèn)題，本論文設(shè)計(jì)和制備了基于碳納米管的分離膜(CNTM)，利用其優(yōu)異的導(dǎo)電性實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)與膜分離的耦合，通過(guò)電化學(xué)輔助作用改善了分離膜的選擇性和抗污

2、染性，并揭示了電化學(xué)輔助膜分離的機(jī)理。主要研究結(jié)果如下:
　　1)采用壓片燒結(jié)-真空抽濾兩步法制備了平板式類石墨烯碳-碳納米管(Gr-CNT)/陶瓷分離膜，然后通過(guò)施加電偏壓實(shí)現(xiàn)膜分離與電化學(xué)耦合，并研究了耦合工藝對(duì)水體中不同電性和尺度污染物的分離性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，耦合工藝在+1.5 V vs.Ag/AgCl偏壓下，處理尺寸與膜孔徑相當(dāng)?shù)亩趸栉⑶驎r(shí)的截留去除率和膜通量分別達(dá)到單獨(dú)膜分離的1.13和1.50倍;尺寸小于膜孔徑且

3、帶負(fù)電荷的聚苯乙烯微球(PS NPs)在耦合工藝中的擴(kuò)散-吸附速率達(dá)到單獨(dú)膜分離的7.45倍，PS NPs的去除量較單獨(dú)膜分離提高了4個(gè)數(shù)量級(jí);單獨(dú)膜分離無(wú)法去除的苯酚可被耦合工藝完全去除。同時(shí)，耦合工藝處理濃度為10 mg·L-1的天然有機(jī)質(zhì)(NOM)進(jìn)水時(shí)，總有機(jī)碳(TOC)去除率和膜通量分別達(dá)到單獨(dú)膜分離的3.03倍和1.56倍。上述結(jié)果說(shuō)明耦合工藝表現(xiàn)出良好的膜分離與電化學(xué)耦合協(xié)同效應(yīng)。經(jīng)過(guò)對(duì)耦合工藝的分離機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)，靜電排斥

4、、電增強(qiáng)吸附、電化學(xué)氧化以及電潤(rùn)濕/電毛細(xì)作用等是提高該分離膜的截留選擇性和膜通量的主要影響因素。
　　2)利用濕法紡絲-真空抽濾兩步法制備了Gr-CNT/陶瓷中空纖維膜，并通過(guò)改變施加在分離膜上的電偏壓極性，研究了電極化方式對(duì)電化學(xué)輔助膜分離耦合工藝的分離性能的影響。結(jié)果表明，在+1.0 V vs.Ag/AgCl偏壓下，耦合工藝處理單獨(dú)含有大腸桿菌(E.coli)或NOM進(jìn)水1h后，膜通量分別達(dá)到單獨(dú)膜分離的2.86和1.09倍

5、;耦合工藝在-1.0V vs.Ag/AgCl偏壓下處理單獨(dú)含有E.coli或NOM的進(jìn)水1h后，膜通量提高到單獨(dú)膜分離的6.67和1.44倍;倒極偏壓為±1.0 V vs.Ag/AgCl，倒極時(shí)間間隔為60 s條件下，耦合工藝處理單獨(dú)含有E.coli或NOM進(jìn)水的膜通量分別達(dá)到單獨(dú)膜分離過(guò)程的8.10和1.53倍（運(yùn)行1h后）。上述結(jié)果說(shuō)明施加電偏壓既可以提高分離膜的抗生物和有機(jī)污染性，又能夠提高出水水質(zhì)。并且通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，施加倒極偏壓

6、可以有效耦合正偏壓時(shí)電致細(xì)菌滅活、電化學(xué)氧化和負(fù)偏壓時(shí)的靜電排斥作用等。
　　3)設(shè)計(jì)組裝了出水量為10～15 t·d-1的電化學(xué)輔助碳納米管-陶瓷管式分離膜水處理中試設(shè)備，并以大連市某水庫(kù)儲(chǔ)水為進(jìn)水，考察了該中試設(shè)備處理地表水的性能。結(jié)果表明，與單獨(dú)膜分離相比，電化學(xué)輔助膜分離的日產(chǎn)水量提高了18％，TOC和濁度去除率分別提高了14％和8.2％，總能耗節(jié)約15％。
　　4)采用濕法紡絲-熱分解-氟化修飾三步法制備了自支撐碳

7、納米管中空纖維膜，并研究了其膜蒸餾脫鹽效果和電化學(xué)輔助條件下的抗膜污染性能。結(jié)果表明，該膜的水接觸角達(dá)到168°，呈現(xiàn)超疏水性，其抗?jié)櫇裥允莻鹘y(tǒng)聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯膜(PP)的1.32～1.61倍。在膜蒸餾脫鹽過(guò)程中，該膜的產(chǎn)水速率為PVDF和PP膜的1.38～1.73倍，而出水電導(dǎo)率僅為兩種聚合物膜的1/18～1/2。施加0.5 V槽壓（分離膜為陰極）時(shí)，分離膜在36 h運(yùn)行過(guò)程中未出現(xiàn)通量損失，產(chǎn)水量始終維持在30 L·m