关键词:
膜生物反应器
异质编织管增强中空纤维膜
界面结合强度
抗微生物污染
分子动力学模拟
摘要:
水是生命之源,是人类社会生存与发展的基础性资源。膜生物反应器(MBR)将活性污泥生物降解与膜过滤相融合,具有处理效率高,出水水质好、容积负荷大,节省占地面积、污泥负荷低,剩余污泥产量低、运行稳定,便于管理等优势,在水环境治理中具有广阔的应用前景。本研究针对MBR实际运行中膜材料易损伤和微生物污染问题,以开发高界面结合强度、高渗透通量和抗微生物污染等综合性能优异的膜材料为研究目的,通过构建不同表面活性剂共混添加剂体系策略,将其应用于非溶剂相转化(NIPS)法制备异质编织管增强聚偏氟乙烯(BR PVDF)中空纤维复合膜。具体研究内容如下:
(1)为改善异质BR PVDF中空纤维复合膜界面结合强度,通过改变非离子表面活性剂复合添加剂组成来调控亲/疏水基团比例,有效改善了铸膜液与编织材料的界面相容性。结果表明,当Span 80与Tween 80质量比为1:1、黏附时间为1.5 s时,获得最佳性能的BR PVDF中空纤维复合膜。其破裂强度和纯水通量(PWF)分别高达0.39 MPa和1056.9±34.9 L·m-2·h-1,均为原膜的2.4倍。
(2)为进一步优化异质BR PVDF中空纤维复合膜界面结合强度,通过构建不同空间尺寸/支化程度疏水尾链的Span系列表面活性剂复合添加剂体系,来调控疏水基团在两相界面的排列方式。分子动力学模拟(MDS)和实验结果表明,Span系列表面活性剂的疏水尾链在不同的两相界面环境中表现出不同的排列方式。疏水尾链在溶液界面的聚集促进了溶液-编织管体系达到稳定状态,增强了PVDF层和编织管间的界面结合力,提高了界面结合强度和稳定性。Span65改性膜的破裂强度达到0.74 MPa,是原膜的2.3倍。在实际过滤和反冲洗操作中,聚合物层-编织管界面维持稳定,PWF和总有机碳(TOC)截留率变化分别小于9.3%和1.1%。
(3)为设计开发综合性能优异的异质BR PVDF中空纤维复合膜,通过构建不同十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)浓度的混合表面活性剂添加剂体系,基于MDS分析,阐述了其对聚合物层-编织管界面相互作用及相分离过程的影响机制。结果表明,在混合表面活性剂体系中静电和疏水相互作用的协同作用下,聚合物层-编织管界面及相分离过程中水-铸膜液界面得到同步改善。当CTAB浓度为1.5 wt.%时,制备膜的破裂强度和PWF提升至0.62 MPa和669.3±33.3L·m-2·h-1,分别是原膜的2.7倍和2.0倍。且在实际过滤和反冲洗操作5天后,PVDF层-编织管界面稳定保持,破裂强度和TOC截留的变化率分别小于15.7%和7.1%。此外,当CTAB浓度高于1.5 wt.%时,改性膜对***和***均具有较好的抑制效果,且膜表面表现出较强的抗细菌粘附性。
(4)为进一步设计开发综合性能优异的异质BR PVDF中空纤维复合膜,通过构建不同配比的非离子和阳离子表面活性剂复合添加剂体系,深入阐述了非离子和阳离子表面活性剂在界面结合机制,及其对膜结构与性能的协同作用机制。结果表明,当非离子和阳离子表面活性剂配比为1:1时,混合表面活性剂溶液具有最低的界面张力和对编织管纤维最强的浸润性,改善了铸膜液与编织材料的界面相容性,非离子和阳离子表面活性剂对聚合物层-编织管界面的的协同作用最强,所制备的膜破裂强度高达0.77 MPa。在相转化过程中,由于混合溶液中非离子表面活性剂中的亲水头基和阳离子表面活性剂中的阳离子头基对凝固浴中水的协同吸引,非离子和阳离子表面活性剂配比为1:1时,膜的PWF达到最高(1194.3±45.7 L·m-2·h-1)。此外,当非离子和阳离子表面活性剂配比为0.5:1.5时,所得膜的破裂强度达到0.73 MPa,PWF为1111.9±33.9 L·m-2·h-1,且对***和***均具有较好的抗菌和抗细菌粘附性。