海藻酸不同存在状态对纳滤膜硅酸盐结垢影响
李珍贤,王 磊,王佳璇,张 一,职 瑞,许长青
【摘 要】摘 要: 为探索硅酸盐结垢过程中,多糖类有机物海藻酸(AA)在纳滤过程中的不同存在状态,即在溶液中与饱和硅酸盐共存、在膜面生成有机污染层,对聚酰胺复合纳滤膜硅酸盐结垢的影响.由过滤实验研究硅酸盐结垢过程中膜通量衰减趋势;结合扫描电子显微镜及原子力显微镜,分析膜表面污染层结构;通过Zeta电位研究静电排斥作用的影响;利用原子力显微镜结合二氧化硅胶体探针分析不同结垢阶段的黏附力特点.结果表明:硅酸盐结垢污染程度为:新膜>AA与硅酸盐共存时(新膜)>AA污染膜.对比新膜的硅酸盐结垢,AA与硅酸盐共存时,可以较弱程度地减轻硅酸盐结垢;然而当AA污染层在膜面形成后,硅酸盐结垢程度显著降低.上述结果表明,AA的不同存在状态对硅酸盐结垢的影响差异很大. 【期刊名称】哈尔滨工业大学学报 【年(卷),期】2024(050)002 【总页数】6
【关键词】关键词: 海藻酸;硅酸盐;聚酰胺复合纳滤膜;原子力显微镜;黏附力 纳滤(NF)膜表面通常荷电,电荷作用和筛分作用[1]是决定溶质截留的主要机制.NF膜被广泛应用于饮用水深度处理、海水淡化及废水处理[2-4]等领域中.引起NF膜污染的主要污染物有难溶和微溶性无机盐、有机污染物、微生物及其代谢产物和胶体污染物[5-7].由于膜污染造成的水通量下降及膜寿命的缩短[8-9],降低了其经济效益.
纳滤过程中,有机污染通常先于无机污染形成[10-11].Liu等[12]研究正渗透膜表面吸附的不同有机污染物对随后硫酸钙结垢的影响时发现,与新膜相比,膜表面吸
附牛血清蛋白后,会明显阻碍随后硫酸钙结垢的生成;然而当膜表面吸附腐殖酸和海藻酸(AA)后,硫酸钙结垢的生成被显著加剧.据此推测NF膜表面特性很可能被其表面吸附的有机污染物改变[13-14],进而影响随后NF膜表面的无机结垢.此外,当水体中存在多种污染物时,相比单一污染物的膜污染,有机与无机污染物共存对NF膜的污染[15-16]更为显著.Higgin等[17]研究RO膜的硅酸盐结垢发现,AA与硅酸盐在溶液中共存时,与硅酸盐共存的AA会降低RO膜的硅酸盐结垢程度.
多糖类有机物广泛存在于水体中,是胞外聚合物的主要成分之一.本文选用典型多糖类有机物研究纳滤过程中AA的不同存在状态对聚酰胺复合纳滤膜硅酸盐结垢的影响.以新膜的硅酸盐结垢行为作对比,考察AA与硅酸盐在溶液中共存时以及NF膜表面生成AA污染层时对随后硅酸盐结垢的影响.采用原子力显微镜及Zeta电位等手段揭示AA影响硅酸盐结垢的特点和机理,从而为防治NF膜硅酸盐结垢提供更完善的理论依据.
1 实 验
1.1 实验材料
制膜试剂:N,N-二甲基乙酰胺(DMAc,分析纯,天津市福晨化学试剂厂);聚乙二醇辛基苯(TritonX-100,分析纯,国药化学试剂有限公司);聚乙二醇(PEG600,分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司);丙烯酸(分析纯,天津市福晨化学试剂厂);聚乙烯吡咯烷酮(PVP k.30,分析纯,上海蓝季科技发展有限公司);聚砜(PSF,E6010,德国BASF);无水哌嗪(PIP,分析纯,aladdin);三乙胺(TEA,分析纯,aladdin);均苯三甲酰氯(TMC,98%, Sigma-Aldrich); 正己烷(分析纯,广东光华科技股份有限公司). 污染物试剂:偏硅酸钠五水合物(Na2SiO3·5H2O,95%,国药化学试剂有限公司);
海藻酸(AA,Sigma-Aldrich,St. Louis,Mo)，其分子结构式如图1所示[18].氯化钠(分析纯,天津市巴斯夫化工有限公司);硫酸镁及硫酸钠(分析纯,天津市天力化学试剂有限公司).
1.2 聚酰胺复合纳滤膜制备 1.2.1 聚砜超滤膜制备
采用溶液相转化法制备聚砜超滤膜.将TritonX-100、PEG600、丙烯酸、PVP k.30、PSF按照一定比例溶于溶剂DMAc中,在60 ℃下恒温恒速搅拌16 h,然后在恒温烘箱(DZ-2BC,天津市泰斯特仪器有限公司)中60 ℃下静置脱泡,得到均质的铸膜液.在室温下,采用无纺布作为支撑层,将铸膜液均匀涂覆在无纺布上,随后立即浸入恒温凝胶浴中进行分相,然后将分相完成后的膜用去离子水反复冲洗,最后将聚砜超滤膜常温保存在去离子水中. 1.2.2 聚酰胺复合纳滤膜制备
采用界面聚合法制备聚酰胺复合纳滤膜.室温下,将PIP溶于去离子水中配制成水溶液,将TMC溶于正己烷中配制成有机溶液.先将聚砜超滤膜浸泡在水溶液中一定时间,用橡胶辊筒除去膜表面多余溶液与气泡,然后再浸入有机溶液中反应一段时间,随后置于烘箱中恒温热处理一段时间,即得到聚酰胺复合纳滤膜,将其存储于去离子水中备用.
聚酰胺复合纳滤膜基本性能如下:室温、压力为0.6 MPa条件下,其纯水渗透通量为(35±5) L/(m2·h),硫酸镁(2 g/L)截留率大于92%;平均粗糙度为7.71 nm,用接触角仪(SL200B,科诺,美国)测定膜表面接触角为(53±2)°,截留分子质量为(350±50) u. 1.3 膜污染过滤实验
海藻酸不同存在状态对纳滤膜硅酸盐结垢影响
