天然有机物对不同孔径超滤膜的污染特性研究

第32卷第1期,2019年1月宁波大学学报（理工版）中国科技核心期刊Vol.32No.1,Jan.2019JOURNALOFNINGBOUNIVERSITY(NSEE)中国高校优秀科技期刊天然有机物对不同孔径超滤膜的污染特性研究朱逸康1,胥倩倩1,黄瑶瑶1,朱冰儿1,董秉直2,余振勋1*（1.宁波大学建筑工程与环境学院,浙江宁波315211;2.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092）摘要:膜污染是阻碍膜分离技术广泛应用的瓶颈,是水处理领域研究的重点.采用RC平板膜进行膜污染试验,对超滤膜去除天然有机物的效能和膜污染机理进行研究,模拟天然地表水研究腐殖酸(HA)吸附、沉积、浓差极化3种不同膜污染机理;同时,考察水质环境条件对膜过滤性能的影响.结果表明,HA能造成膜通量的明显下降,其中静态吸附、浓差极化造成的膜通量下降较膜孔窄化和滤饼层形成的影响相对更小;另外,滤饼导致的通量下降可以通过物理清洗恢复,而膜孔窄化造成的通量下降在一定程度上不可逆,且离子强度的增大会加剧膜污染速率.关键词:天然有机物;腐殖酸;超滤;膜污染中图分类号:TU991.24文献标志码:A文章编号:1001-5132（2019）01-0109-06随着水源污染的不断加剧和饮用水水质标准的日益严格,传统的水处理工艺已经无法满足人们对优质饮用水的需求,以微滤、超滤为代表的低压膜技术受到了越来越高的重视[1].然而,由膜污染所导致的膜通量快速下降阻碍了低压膜技术的广泛应用[2].膜污染会缩短膜的使用寿命,导致运行费用和制水成本的增加.天然有机物(NaturalOrganicMatter,NOM)广泛存在于天然水体之中,是造成膜污染的主要因素[3-4],而NOM典型代表腐殖酸(HumicAcid,HA)具有较大的相对分子质量和较强的疏水性,被认为是NOM中的优势污染物.针对HA对膜污染行为造成影响的这一问题,许多研究者进行了探究.相关研究表明,HA对膜污染的贡献率远大于富里酸(FulvicAcid,FA),且HA的羧基含量与膜污染程度表现出明显的相关性[5-7].史慧婷等[8]和胡文[9]就不同浓度梯度的HA对50KD超滤膜造成的污染进行了研究,证实膜污染程度与HA浓度正相关.张慧等[10]考察了Ca2+与HA协同作用,认为HA溶液中Ca2+的浓度会影响膜通量的下降速率以及膜污染的可逆性.但目前研究多以不同质量浓度的HA对某一特定孔径超滤膜造成的污染为对象,对不同孔径超滤膜的研究尚少;且多以Ca2+作为水体中唯一离子因素,并未考虑其他金属离子对膜污染的影响.综上,本研究以HA对不同截留相对分子质量(MWCO)超滤膜造成的污染为切入点,综合考虑天然水中Na+、Mg2+、Ca2+的影响,系统考察了天然有机物对超滤膜的污染特性,对超滤膜处理天然地表水具有一定的技术支撑和现实意义.1实验材料与方法实验材料与方法1.1实验水样实验水样实验采用模拟天然水,将粉末HA溶于0.2mol·L-1的NaOH溶液,经过0.45μm滤膜过滤后制得HA储备液.为模拟天然地表水水质,将HA储备液稀释,得到5mg·L-1的HA实验水样,并调节pH值为7.1.2实验装置实验装置实验以氮气瓶作为整个过滤系统的动力源,操作压力0.1MPa,贮水罐容积5L.采用Millipore杯式过滤器,有效容积200mL,内置转子,可在膜收稿日期:2018−04−28.宁波大学学报（理工版）网址:http://journallg.nbu.edu.cn/基金项目:国家科技重大专项（2017ZX07201001）;宁波市科技局重大科技攻关项目（2015C110001）.第一作者:朱逸康（1994－）,男,浙江杭州人,在读硕士研究生,主要研究方向:膜法水处理技术.E-mail:2638004537@qq.com*通信作者:余振勋（1981－）,男,浙江衢州人,副教授,主要研究方向:膜法水处理技术.E-mail:yuzhenxun@nbu.edu.cn110宁波大学学报（理工版）2019表面形成剪切流,以防止浓差极化现象.磁力搅拌器搅拌速度为350r·min-1.实验采用再生纤维(RC)超滤膜,其孔径或MWCO分别为0.15μm、100KD、50KD、30KD.具体实验装置如图1所示.1.氮气瓶;2.压力表;3.贮水罐;4.膜过滤器;5.磁力搅拌器;6.出水罐;7.电子天平;8.笔记本电脑.图1实验装置1.3实验方法实验方法实验所用膜均为新膜,使用前浸泡于超纯水中至少12h.本研究以相对通量0/tJJ来表征膜污染程度.膜通量计算式为[11]:/ttJVA,(1)式中,tJ为过滤原水t时刻后的膜通量,L·(m2·h)-1;V为过滤原水t时间内的渗透液体积,L;A为膜有效过滤面积,m2;J0为过滤超纯水时