电阻抗成像原位在线监测超滤膜污染行为研究

基于电阻抗成像（electrical impedance tomography,EIT）的原位可视化特征,以酵母与高岭土为模型污染物,在不同错流速度下对超滤（UF）膜不同的污染过滤特性进行了研究,得到通量变化、平均电压变化、EIT图像,进行了三维图像重建,并建立了膜通量与平均电压间的相关性模型。结果表明：EIT图可直观显示膜污染界面的变化情况,酵母溶液形成的膜污染呈现空间上的不均匀分布,而高岭土溶液形成的膜污染较为均匀,混合溶液形成的污染分布居于两者之间。通过EIT信号的重建图像得到了有关污染层厚度方面的信息,结果表明,酵母形成的污染层最厚,其次为酵母及高岭土混合溶液,污染层最薄的为高岭土溶液。     

基于XDLVO理论分析物理化学相互作用对纳滤膜有机污染影响

基于XDLVO理论定量解析了2种商用纳滤膜(NF90和NF270)与2种典型有机物腐殖酸(HA)和海藻酸钠(SA)之间的界面相互作用能,考察了溶液条件及系统操作压力对膜污染的影响。结果表明,纳滤膜污染程度与物理化学作用密切相关。pH减小使污染物之间或者污染物与膜之间黏附自由能负值明显增大,膜污染程度增加,膜通量衰减明显。离子强度增加特别是Ca~(2+)的添加会导致同样结果。SA比HA表现出对纳滤膜更强的膜污染。过滤液预处理可以降低膜污染,而增加跨膜压差可以增加膜污染并导致膜通量的快速衰减。XDLVO理论对膜污染预测的相关结果与实验结果相对一致,表明XDLVO理论在预测及控制膜污染方面具有很大的潜力。     

正渗透膜过程中临界通量的影响因素

临界通量是膜过程中一种重要的污染特性指标。采用阶梯汲取液浓度递增法测定不同污染物、架桥离子浓度及膜面流速对正渗透(FO)膜过程临界通量的影响。结果表明,海藻酸钠(SA)、腐殖酸(HA)及二氧化硅(SiO2)污染时FO膜临界通量值分别为29.32, 46.35和32.17 L/(m2?h);随Ca2+浓度由0 mmol/L增大至10 mmol/L,SA污染下FO膜的临界通量由29.22 L/(m2?h)显著降低至9.48 L/(m2?h),原因为Ca2+与SA分子中的羧基的螯合作用及Ca2+在膜?污染物之间的架桥作用;此外,当膜面流速从5 cm/s增至15 cm/s时,SA-Ca2+污染下的FO膜临界通量由9.48 L/(m2?h)提高至31.59 L/(m2?h),表明改善膜表面湍动有利于提高临界通量,扩大操作通量范围。     

MIEX-UF耦合工艺控制膜污染的行为及机理研究

以HA、BSA和SA模拟典型膜污染物，对比分析了一体式和分体式两种MIEX-UF耦合工艺在减缓膜污染方面的性能差异。结果表明对任何一种典型污染物来说，一体式MIEX-UF工艺减缓膜污染的效果都远远强于分体式MIEX-UF工艺。机理分析证明，即使MIEX对BSA的吸附去除高达91.4%，吸附也不是一体式MIEX-UF工艺减缓膜污染的最主要因素。尽管污染物的性质会影响一体式工艺中三种膜污染减缓机制的相对贡献比例，但MIEX与污染物间更强亲和力带来的动态膜效应始终是一体式MIEX-UF工艺减缓膜污染的最主要因素。污染物与MIEX间亲和力越强，一体式工艺对其造成的膜污染的减缓效果就越显著。因此，当以提高膜污染控制性能为目的时，在一体式吸附-UF工艺中吸附剂的选择更应该关注其与污染物间亲和力而不是吸附剂的吸附能力。     

不同Ca~(2+)浓度范围内海藻酸的超滤膜污染行为研究

为了探明不同Ca~(2+)离子含量范围内海藻酸(SA)对PVDF超滤膜的污染行为,在CaCl_2离子强度为0~50mmo L/L范围内,进行了宏观SA超滤膜过滤实验,并考察了相关膜污染微观作用力以及SA在膜面的吸附行为和吸附层结构特征。结果表明,在较低的离子强度范围内,随着Ca~(2+)离子含量的增大,膜-SA及SA间静电作用力减小,导致SA在膜面的吸附累积速率加剧,且形成致密SA污染层,相应膜污染加剧。相反,在较高的Ca~(2+)离子含量范围内,水合排斥力的出现减缓了膜污染微观作用力,降低了SA在膜面的吸附速率及SA污染层的密实度,进而减缓膜污染。     

旋转盘反应器流场特性的PIV测试和CFD模拟

通过PIV实验和CFD数值模拟研究了旋转盘表面的流动特性和变化规律。基于VOF多相流模型和Realizablek-ε湍流模型,CFD模拟结果与实验结果形成对比,考察了不同转速和流量条件下旋转盘表面的液膜厚度分布、停留时间和分布情况。结果表明:盘的中心区域受流速控制,流动方向更接近径向流动,边缘区域受转速控制,流动方向更接近圆周流动。液膜厚度随径向半径的增大先增大后减小,转速的增加导致边缘区膜厚减小。流速的增加导致中心区域的膜厚度减小和边缘区域的膜厚度增加。平均停留时间随转速和流速的增加而降低。停留时间分布表明,在实验条件下,液体流动更接近活塞流动。     

膜蒸馏脱盐中膜污染与膜润湿的研究进展

膜蒸馏作为一种脱盐的新兴技术受到广泛关注。然而,因为实际水质组分复杂,可能含有如表面活性剂、油类物质、易结垢盐和有机溶剂等污染物,导致一般疏水膜在长时间运行情况下极易发生膜污染或者膜润湿,最终造成膜通量或截留性能降低。本文首先简述了不同种类的膜污染和膜润湿的特点及形成原因,并分析了膜污染和膜润湿之间的区别和联系。对膜蒸馏过程中膜污染和膜润湿的监测和预测手段进行了简要介绍,最后针对膜蒸馏脱盐过程,重点介绍了近几年国内外预防膜污染和膜润湿的研究进展。研究者一般从污染物与疏水膜的相互作用力着手对疏水膜进行表面改性制备全疏膜和Janus复合膜,避免污染物在膜面的吸附以及抑制表面或孔道润湿。越来越多的研究人员采用致密亲水膜的渗透汽化脱盐来从根本上避免疏水膜带来的润湿。除此之外,对进料液进行预处理也能显著延迟膜的污染和润湿,如混凝/沉淀、膜过滤、煮沸、pH调控等,还可通过改变进料方式、辅助外加磁场等措施控制膜表面局部区域的流体力学状态,减少污染物的附着。适当的膜后处理措施也能恢复膜性能。最后,文章指出了解决膜蒸馏中膜污染和膜润湿的研究方向。     

动态膜处理污水时阻力分布及污染机理

对高岭土动态膜处理污水过程中膜污染阻力分布及膜污染机理进行了研究。通过测定和计算得知不同操作条件下各部分阻力的比例及其变化情况。动态膜过滤污水的阻力主要由动态膜膜孔堵塞阻力和膜面污染层阻力所控制。随着错流速度的增大,总阻力减小,各部分阻力的比例有所变化,但动态膜膜孔堵塞阻力和膜面污染层阻力依然占主导地位。利用传统膜过滤时有关膜污染的堵塞模型和滤饼过滤模型对动态膜处理污水时的实验数据进行分析,结果表明,动态膜过滤污水过程中,过滤初期约10 min左右,污染以膜的微孔堵塞为主,此后,膜的污染情况因操作条件不同而有所差异,影响最显著因素为错流速度,当错流速度较小时,膜的污染以膜面沉积污染物为主,符合滤饼过滤模型。适当提高错流速度有利于减小过滤阻力。     

Pt/PbO_2电极在COD测定中的初探

选用铅基二氧化铅膜作为电极材料 ,研究了用Pt为基体PbO2 膜电极的制备。以此新型电极作为工作电极组成三电极工作系统 ,并通过增大电位气泡更新法对电极再生 ,来阻止电极表面被污染。应用恒电位伏安法的原理测定电流值 ,保证了测量的重现性。通过对试液COD值的测定 ,表明此法有好的应用价值     

不同电极间距下自生电场膜生物反应器中的膜污染行为分析

以自制铜纳米线（Cu-NWs）导电微滤膜为膜组件兼阴极,构建自生电场膜生物反应器（SEF-MBR）,研究不同电极间距下自生电场强度、跨膜压差（TMP）与膜污染行为的变化规律,可为MBR技术升级及进一步推广应用提供理论依据。结果表明,当电极间距从4cm减小到2cm时,自生电场强度从0.7mV/cm提高到1.2mV/cm,TMP的上升速度从0.15kPa/d降低到0.08kPa/d。缩短电极间距有利于缓解膜污染。随电极间距减小,静电斥力提高了40.5%,阴极产生的H₂O₂和·OH浓度也大大增加。电极间距对SEF-MBRs好氧活性污泥的胞外聚合物含量影响不大,但均低于对照MBR系统。共聚焦激光扫描电镜（CLSM）观察发现,与对照系统相比,导电微滤膜表面的污染层厚度减小了20.2%,膜表面污染物以微生物总细胞和β-D-glucopyranose多糖为主。缩短电极间距可提高系统自生电场强度,进而提高静电斥力及H₂O₂和·OH产生量,减缓膜污染。     

PTFE超滤膜对水中三种典型天然有机物的去除及其膜污染机制

研究聚四氟乙烯(PTFE)超滤膜对水中天然有机物的去除效果以及膜污染机制。天然有机物是膜污染中的主要污染物,其中腐植酸(HA)、海藻酸钠(SA)和牛血清蛋白(BSA)为典型的代表。过滤试验采用序批式,配制特定浓度的天然有机物水样进行死端过滤。通过采用紫外分光光度计和TOC-L仪测定水样的UV和总有机碳的值来评估PTFE对三种天然有机物的去除效果,同时采用扫描电子显微镜(SEM)对污染后的膜表面进行观察以推断其污染机制。此外,在HA原料液中添加钙离子(Ca~(2+))和鸡蛋白溶菌酶(LYS,带正电)进行过滤试验,探究PTFE对带不同电荷有机物的去除效果和超滤膜的污染机制。PTFE超滤膜对三种典型的天然有机物去除率以及膜污染情况不尽相同,对HA和SA的去除率远高于BSA,而对HA的去除率稍高于SA。HA和SA对PTFE的膜污染机制是先膜孔阻塞而后形成滤饼层,BSA则为膜孔吸附。PTFE对LYS的去除率几乎为零,但混合了HA和Ca~(2+)后的去除率显著升高,加入Ca~(2+)升高更明显,原因是Ca~(2+)与LYS不但有静电吸附作用,还有架桥作用,形成了更致密的滤饼层。     

动态膜微滤含污泥水及膜污染特征

以陶瓷管为载体,对高岭土动态膜微滤含污泥水性能及膜污染特征进行了较为详细的研究. 考察了错流速度、跨膜压差及污泥浓度对滤出液通量及水质的影响,结果表明,提高错流速度和增大跨膜压差均使滤液通量增加,但错流速度超过2.0 m/s易引起动态膜脱落;污泥浓度增加,则滤液通量明显降低;过滤进行约30 min后,出水浊度基本为0;60 min后,化学需氧量的去除率基本保持在50%以上. 动态膜层及其截留的污染物阻力占总过滤阻力的90%以上. 对膜面特征污染物成分分析表明,P, Ca为膜面主要污染元素,分别占23.77%和20.60%(w);对陶瓷膜孔中不可逆污染物的化学洗脱液分析表明,膜中总有机碳近4370 mg/m2,Ca, Mg是主要无机污染元素,分别约1240和886 mg/m2. 先后用0.2 mol/L的NaOH水溶液和0.1 mol/L的HCl水溶液清洗膜中不可逆污染物,可使基膜通量恢复至新膜的85%.     

电沉积钴纳米线阵列耐腐蚀性能研究

采用控电位方法在阳极氧化铝模板中沉积了l为20μm、d为80nm的钴纳米线阵列并考察其耐腐蚀性能。实验结果表明,Co纳米线阵列的晶型为密排六方(hcp)结构。阳极极化曲线与交流阻抗谱图显示,Co纳米线阵列电极随维生素C与尿酸溶液质量浓度增大,耐蚀性仅有小幅度降低,说明此种电极在较高质量浓度维生素C与尿酸溶液中能够长时间正常工作,是理想的生物传感器电极。     

混凝-超滤短流程工艺低温运行膜污染机理研究

针对东北某水源地汛期后冬季低温水质特点,开展混凝-超滤短流程工艺膜污染机理研究,利用Box-Benhnken Design(BBD)中心组合实验和响应面分析法,确定水温、膜通量、聚合氯化铝(PAC)投加量3个因素为自变量,归一化膜比通量(NSF)为响应值,研究他们自变量之间的交互作用。结果表明,水温高于4℃,膜通量和PAC投加量对膜污染的影响均显著;水温低于4℃时,膜通量和PAC投加量对膜污染的影响不显著。采用傅里叶红外光谱仪和扫描电镜对污染后的超滤膜进行微观检测,发现膜丝表面吸附的污染物以高岭土为主,腐殖酸为辅。通过氢氧化钠(质量浓度2 g/L,2 h)和盐酸(质量浓度5 g/L,5 h)浸泡的离线性化学清洗方法可去除膜孔内堵塞的污染物,有效缓解膜污染。     

海藻酸钠的浓度对聚苯胺/海藻酸钠电化学性能的影响

以海藻酸钠(SA)为软模板,采用原位氧化聚合法制备了聚苯胺/海藻酸钠(PANI/SA)电极材料,研究了SA的浓度对其结构、形貌及电化学性能的影响。利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)对所制PANI/SA的结构和形貌进行了表征。在1 mol/L H2SO4溶液中,通过循环伏安法(CV)、恒电流充放电(CD)和交流阻抗法(EIS)测试了电极材料的电化学性能。结果表明:PANI/SA的比电容随聚合体系中SA质量分数的增大先升高后降低,w(SA)=0.01%时,PANI/SA为由纳米纤维相互交织缠绕的网状结构,其比电容最高(459.7F/g),较纯PANI提高了20.8%。     

铜在3.5％NaCl体系中浸泡过程的阻抗谱研究

采用阻抗谱研究铜在3.5％NaCl体系中的浸泡过程中的腐蚀行为,研究表明随着浸泡时间的延长,铜电极表面逐渐产生致密的具有保护作用的CuCls,从而电荷转移电阻和金属表面膜电阻均增大,铜的腐蚀速度逐渐减小;同时,CuCl2^-由电极表面向本体溶液扩散逐渐趋向于半无限扩散,表现为膜电阻的弥散指数逐渐减小趋向于0.5,阻抗谱上出现Warburg阻抗。     

生物转盘表面液膜流动特性数值模拟

采用计算流体动力学(CFD)方法,运用流体体积(VOF)模型研究生物转盘表面液膜流动特性,分析了传统实心转盘和新型开窗转盘表面液膜的成膜特性、厚度和速率等,并考察了不同转盘厚度对成膜和液膜厚度的影响。结果表明:实心转盘的液膜自上而下平缓过渡,而开窗转盘中,开窗区域附近出现液膜位置的急剧变化,并在槽内液体下方发现很多不规则的气泡;转盘在上升区的液膜厚度随角度的增加快速减小,而下降区的液膜厚度基本不变,趋于稳定;转盘开窗形成的自由膜速率大,更新频率快;在研究范围内,不同厚度转盘形成的液膜随转盘厚度增加,开窗区域的自由膜厚度增加。     

低压膜净水过程中的膜污染控制

近年来,低压膜（LPM）技术在饮用水处理和废水回用等领域的应用越来越广泛,但膜污染会消耗更多的能源,增加运行和维护费用,是制约其发展的瓶颈。膜前预处理技术与低压膜组合工艺已被广泛用在减轻膜污染、提高污染物去除率和膜通量等方面。膜前预处理技术可以改变水中分子与颗粒物的尺寸,影响污染物之间和污染物与膜之间的相互作用关系,抑制不良微生物的生长或去除可生物降解的污染物,从而影响膜过滤性能。此外,采用适当的操作方式（如运行方式,反冲洗,曝气）也可以有效地减轻膜污染。该文介绍了近年来国内外各种预处理技术和操作条件在控制低压膜污染的最新研究进展,并阐述了其在缓解膜污染方面的机理。     

活性污泥中微生物胞外聚合物(EPS)影响膜污染机理研究

为了深入解析胞外聚合物（EPS）对膜污染影响,采用8种具有较好代表性的活性污泥在恒压（△H=78cm）重力自流连续出水方式下进行4h短期膜过滤实验。研究结果表明,随着溶解性EPS浓度的增加,膜污染阻力随之增大（rp=0.847）,LB-EPS与膜污染阻力呈现强正向相关（rp=0.753）,蛋白质类LB是影响MBR膜污染的主要物质;Zeta电位、污泥黏度μ、SVI与膜污染阻力呈现良好的相关性,LB-EPS是引起污泥混合液中Zeta电位、污泥黏度μ和SVI变化的主要原因。通过滤膜污染过程分析,滤饼层的形成是控制膜污染的决定性阶段,并且随着膜面EPS量的积累,滤饼层阻力逐渐增大,进一步分析得出污泥混合液中LB-EPS、溶解性EPS影响着膜面EPS量;膜面污染物红外谱图分析验证了EPS是膜表面主要污染物。     

电导法测量新型旋风分离器内液膜的分布规律

根据电导率变化原理设计了双平行电导探针,并采用该探针对新型旋风分离器内的液膜分布进行了研究。通过对不同结构参数和操作条件的研究发现,液膜沿筒体呈不对称分布,入口附近截面上的液膜随着轴向距离的增大其最厚值点沿圆周后移,液膜呈螺旋带状下行;发展后的液膜厚度在不同截面的最大值在160°左右的圆周角度处。研究还表明,随着处理负荷的增加,切向速度增大,液膜的分布区域变大,有利于分离效率的提高,但整体液膜厚度变薄,不利于减缓筒壁的磨损;入口角度的变化对撞击区附近的液膜分布影响较大,入口角度越大,切向力在径向上的分量越小,液膜的分布范围越小;另外,随着升气管直径的增加,由于分离空间变小,整体液膜厚度增加。