• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看

      ?

      聚砜膜制備及正滲透處理酸性礦井水試驗研究

      2020-03-09 02:32:52王玉玲宋亞朋王宇晨王建兵
      能源環(huán)境保護 2020年1期
      關鍵詞:聚砜溶質(zhì)通量

      王玉玲,宋亞朋,劉 烈,王宇晨,王建兵

      (中國礦業(yè)大學(北京) 化學與環(huán)境工程學院,北京 100083)

      0 引言

      我國煤礦開采每年會產(chǎn)生71億t礦井水,在2015至2017年間,我國礦井水利用率在70%左右,根據(jù)《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的綠色發(fā)展目標要求,至2020年礦井水利用率要達到80%[1]。同時由于我國水資源緊缺,每年工業(yè)和生活缺水量達到100億t[2]。礦井水的直接排放不僅污染礦區(qū)環(huán)境,還嚴重浪費水資源。因此,回收利用每年因煤炭開采損失的60億t礦井水具有重大戰(zhàn)略意義[2]。

      酸性礦井水(AMD)在煤礦礦井水中占有較高的比例,其復雜的物理化學性質(zhì)加大了酸性礦井水處理的難度。AMD不僅pH低,還含有較高濃度的重金屬[3],對生態(tài)環(huán)境污染非常嚴重。目前,文獻報道中酸性礦井水處理方法主要是石灰中和,重金屬去除率能達到98%以上,但實際工程中污泥產(chǎn)量大,二次污染嚴重,需要開發(fā)新的酸性礦井水處理方法[4]。近年來,人工濕地處理酸性礦井水受到關注,即利用特定生物來降解重金屬,停留時間在3~5天,存在占地面積大、處理效率低的問題[4]。正向滲透(FO)技術是一種新興的膜技術,該技術利用滲透壓梯度來回收高質(zhì)量的水,具有操作壓力低、鹽截留率高、膜污染輕、運行成本和設備投資較低[5]的優(yōu)點,近幾年在海水淡化[6]、廢水處理[7]等方面被大量的研究和應用。FO具有高截留率,且水回收率高達75%[8],若用于酸性礦井水的處理,截留重金屬的同時還能達到水的資源化利用。

      因此,本研究以相轉(zhuǎn)化法制備了聚砜膜,以氯化鎂為汲取液開展正滲透處理酸性礦井水試驗研究,優(yōu)化試驗條件,探討了正滲透技術處理酸性礦井水的可行性。

      1 材料與方法

      1.1 實驗材料

      酸性礦井水取自陜西某煤礦,水質(zhì)情況如表1所示。作為基膜制備材料的有聚砜(PSf,Sigma-Aldrich公司)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和N-甲基吡咯烷酮(NMP,質(zhì)量分數(shù)99.5%,國藥集團),進行界面聚合材料的均苯三甲酰氯(TMC,質(zhì)量分數(shù)99%,Alfa Aesar公司)、間苯二胺(MPD,質(zhì)量分數(shù)99%)以及相應的有機溶劑正己烷(分析純),其他實驗藥劑均為分析純,購自國藥集團。試驗中所使用的高純水(18.2 MΩ·cm)由實驗室Milli-Q高純水儀(Thermo,美國)制備。

      表1 酸性礦井水水質(zhì)情況 mg/L,pH無量綱

      1.2 正滲透膜的制備

      采用相轉(zhuǎn)化法制備正滲透基膜。首先將聚砜溶解在N-甲基吡咯烷酮中,再依次加入聚乙烯吡咯烷酮和氯化鋰,80 ℃下攪拌12 h,靜置脫泡24 h。然后刮成厚度均勻的膜,再泡在去離子水中24 h以去除多余的有機物,即獲得聚砜底膜。將聚砜底膜浸泡在1.5%的MPD水溶液中5 min后晾干,再與質(zhì)量分數(shù)為0.1%的均苯三甲酰氯溶液(正己烷為溶劑)界面聚合60 s,待溶劑揮發(fā)完,依次采用乙醇和去離子水沖洗,制得了聚砜復合正滲透膜。

      1.3 正滲透和納濾實驗

      正滲透和納濾試驗在如圖1的裝置中進行。原料液通過蠕動泵(BT100-2J)泵入密封膜組件(長80 mm、寬40 mm),被薄膜截留的離子隨溶液循環(huán)到原料液桶中,清水則由低滲透壓側透過膜向高滲透壓的汲取液移動,使用流量計調(diào)節(jié)溶液流速,利用電子天平記錄汲取液質(zhì)量變化,電導率儀(DDS-11A)測量汲取液電導率。每組實驗先運行0.5 h以穩(wěn)定系統(tǒng),然后記錄電子天平的讀數(shù),在室溫下運行時間為2 h。由式(1)、(2)、(3)分別計算水通量、反向溶質(zhì)通量及截鹽率。

      納濾試驗中,采用高壓泵將稀釋的汲取液泵入納濾膜組件(NF270,Dow Chemical Company,Midland,MI),利用轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)汲取液流速,用壓力表控制膜組件進口的壓力,采用電子天平測量滲透液的質(zhì)量變化,計算水通量式(1)。

      水通量(L/(m2·h))通過公式(1)計算[9]:

      (1)

      式中:Jw為水通量(L/(m2·h));ΔW為透過膜的水質(zhì)量(kg);ρ為水的密度(kg/m3);S是有效膜面積(m2);t是運行時間(h)。

      反向溶質(zhì)通量通過公式(2)來計算[10]:

      (2)

      式中:Js是反向溶質(zhì)通量(g/(m2·h));C末為結束時原料液中NaCl濃度(g/L);V末為結束時原料液體積(L);C初為初始原料液中NaCl濃度(g/L);V初為初始原料液體積(L);S是有效膜面積(m2);t是運行時間(h)。

      截留率根據(jù)式(3)計算[9]:

      (3)

      式中:Cp為滲透側離子濃度,Cf為原料側離子濃度。

      1.4 正滲透膜的表征

      膜的厚度使用測厚儀(BC-01,上海九量五金工具有限公司)測量,采用接觸角測量儀(OCA-20,德國dataphysics公司)測膜的接觸角,膜的表面和斷面形貌結構由掃描電子顯微鏡(JSM-7001F,日本電子廠家)表征,用壓汞儀(AutoPoreIV 9510,麥克儀器公司)測定膜的孔隙率,采用紅外光譜(vector 22,Bruker公司)檢測官能團結構。

      2 結果與討論

      2.1 膜的制備及表征

      2.1.1 紅外光譜

      圖2為聚砜聚酰胺復合膜的ATR紅外光譜圖,可以看出在1 400~1 680 cm-1之間出現(xiàn)了聚酰胺的特征吸收峰,其中1 407 cm-1和1 490 cm-1均為C-N伸縮振動,1 585 cm-1為N-H彎曲振動。這些吸收峰的存在,說明在聚砜基膜的表面有聚酰胺功能層的形成。

      2.1.2 膜厚度與孔隙度

      表2給出了制備的聚砜膜與市售的三醋酸纖維素膜的特性參數(shù),從表中可以看出,聚砜膜的孔隙率比市售的三醋酸纖維素膜的孔隙率較高,因此,更有利于提高水通量。

      表2 膜的特性參數(shù)

      2.1.3 接觸角

      從圖3和表2中可以看出,聚砜膜的接觸角要小于美國HTI公司三醋酸纖維素膜,即膜表面能大,濕潤性好,親水性強,水通量高且膜污染傾向低[11],其性能優(yōu)于美國HTI公司三醋酸纖維素膜。

      2.1.4 膜表面形貌

      圖4為制備的聚砜膜的表面及斷面的掃描電鏡圖,可以看出膜的支撐層部分呈現(xiàn)疏松的大孔狀結構,表面是一層較薄且致密的海綿狀孔。這是因為當鑄膜液進入凝膠水浴后,聚合物先快速析出,形成致密的海綿狀層,隨著有機相溶劑N-甲基吡咯烷酮和非溶劑水之間的相互擴散,在海綿狀層的下方形成大孔核,且膜的表面都呈現(xiàn)出了不同程度的脊骨。從斷面結構的掃描電鏡圖可以看到,膜的支撐層比較整齊,是均勻的較長的指狀孔,孔與孔之間也比較松散,有明顯的規(guī)律,指狀孔均一性很好。

      2.2 操作條件對水通量及反向溶質(zhì)通量的影響

      2.2.1 汲取液濃度的影響

      如圖5所示,考察了以不同濃度MgCl2為汲取液時,膜的水通量及反向溶質(zhì)通量的變化情況??梢钥闯?,隨著MgCl2的濃度從1 mol/L增大至3 mol/L時,正滲透通量由9.21 L/(m2·h)增大到13.24 L/(m2·h)。這是由于正滲透分離過程的驅(qū)動力為膜兩側的滲透壓差,汲取液電解質(zhì)濃度越大,滲透壓差則越大,因而水通量越高。但水通量與汲取液濃度并不成正比,這主要是由于膜兩側存在著濃差極化。如圖6中所示,隨著正滲透過程的進行,靠近進料液側的膜表面溶質(zhì)濃度不斷升高,且汲取液側的膜表面的溶質(zhì)由于對流作用被沖回本體而減少,降低了汲取液與原料液之間的滲透壓差,減弱了有效驅(qū)動力,造成了水通量的降低。

      如圖5,當汲取液濃度提高至3 mol/L時,反向溶質(zhì)通量也達到最大,即5.95 L/(m2·h)。FO中反向溶質(zhì)通量的驅(qū)動力是膜活性層上的溶質(zhì)濃度差(如圖6)[12],一般來說汲取液的濃度越高,濃度差越大,有效驅(qū)動力越強,則反向溶質(zhì)通量會越高,但由于反向溶質(zhì)通量受擴散動力學的控制之外,同樣受內(nèi)濃度極化的影響,內(nèi)部濃度極化通過降低膜的支撐層和活性層之間的界面溶質(zhì)濃度差來降低水通量和反向溶質(zhì)擴散[13]。汲取液濃度過低時,驅(qū)動力較弱,從而反向溶質(zhì)通量最低,而濃度過高時,驅(qū)動力增強,但由于發(fā)生內(nèi)濃度極化,同樣造成反向溶質(zhì)通量的降低。

      2.2.2 流速的影響

      如圖7所示,以2 mol/L MgCl2溶液為汲取液,當流速從0.2 L/min增加到0.4 L/min時,初始通量由9.8 L/(m2·h)增加到12.3 L/(m2·h)。隨著流速的提高,溶質(zhì)在膜表面的沉積減少,邊界層濃度梯度降低,緩解了FO過程中的濃度極化效應,增大了有效滲透壓差,進而提高水通量。此外,隨著運行時間的增加,膜表面污染物逐漸累積,而高流速溶液可以沖刷膜表面進而緩解膜污染。從圖7可以觀察到,隨著溶液流速從0.2 L/min增大到0.3 L/min,反向溶質(zhì)通量也增大,但流速從0.3 L/min增加到0.4 L/min時,反向溶質(zhì)通量的增量并不明顯。這是由于流速的增加使得邊界層的厚度減小(如圖6),進而降低了外濃差極化效應,同時膜兩側溶液的交換速度增加使得傳質(zhì)速率上升,故反向溶質(zhì)通量增大。有研究表明,當膜表面溶液的錯流速度較大時,流速對膜兩側的質(zhì)量傳遞以及膜結構參數(shù)影響較小[14]。因此,當溶液的流速增大到0.4 L/min時,受邊界層以及外濃差極化效應的影響,增加膜兩側溶液流速對反向溶質(zhì)通量已經(jīng)沒有明顯的影響。

      2.2.3 膜取向的影響

      如圖8所示,當以2 mol/L MgCl2為汲取液的情況下,活性層靠近汲取液(PRO模式)的水通量14 L/(m2·h)要高于活性層靠近原料液時(FO模式)的水通量10.64 L/(m2·h),同時,反向溶質(zhì)通量也高于后者。這是由于汲取液的滲透壓比進料液大,F(xiàn)O模式下的稀釋濃度極化比PRO模式下濃縮式濃度極化更顯著[15]。如圖6(a)在FO模式下,汲取液中溶質(zhì)穿透支撐層到達活性層內(nèi)表面,被從原料液側滲透的水所稀釋,導致活性層內(nèi)表面溶質(zhì)濃度低于汲取液本體濃度,縮小了滲透壓差,降低有效驅(qū)動力,從而降低水通量[16]。然而,如圖6(b)在PRO模式下,原料液中的溶質(zhì)被水流輸送到多孔支撐層,不易滲入活性層,因此在支撐層內(nèi)表面堆積,其濃度高于原料液本體,因此縮小了活性層兩側的滲透壓差,降低有效驅(qū)動力,從而降低水通量[17]。在FO模式時,稀釋后的內(nèi)濃差極化現(xiàn)象對水通量的影響要大于PRO模式下濃縮的濃度極化現(xiàn)象,所以水通量較低[18]。在相對較低的濃度下,由于不結垢和低濃度極化,水通量和反向溶質(zhì)通量幾乎隨汲取液濃度的增加而線性增加。由于在PRO模式下,膜界面有效汲取液濃度要高于FO模式,從而導致更高的反向溶質(zhì)通量[19]。

      2.3 正滲透對酸性礦井水處理及汲取液的回收實驗

      以2 mol/L的MgCl2為汲取液,溶液流速控制在0.4 L/min,F(xiàn)O膜活性層接觸汲取液的情況下,進行濃縮酸性礦井水實驗。可觀察到正滲透對于酸性礦井水中各種污染物去除效果好,對金屬離子Al3+、Fe2+、Cu2+、Zn2+等截留率分別達到99.8%、100%、98.9%和99.5%,硫酸鹽的截留率為97.5%,并且實驗表明平均水通量接近12 L/(m2·h)。FO能夠回收酸性礦井水中重金屬,但離子從汲取溶液到原料液的反向擴散可能會影響FO在AMD處理中的潛在應用。

      正滲透工藝中汲取液在從廢水中提取純水而稀釋時,需要對其進行再生或濃縮,以便重復使用。MgCl2是小分子二價鹽,離子半徑較大,通常不容易透過膜,并且由于唐南排斥的存在,使得其相應的靜電排斥力較大,但正滲透實驗中MgCl2被透過膜的水所稀釋,降低有效驅(qū)動力。納濾膜對MgCl2有較好的截留性,因此采用納濾技術,對正滲透汲取液進行回收利用。如圖9以氯化鎂、葡萄糖、氯化鎂-葡萄糖混合液進行納濾回收實驗。我們可以觀察到納濾的水通量隨反應時間逐漸降低,最終趨于平穩(wěn)。這是由于與FO相似,納濾過程中發(fā)生的濃度極化現(xiàn)象和膜污染的存在降低了水通量。納濾回收MgCl2水通量最高,葡萄糖則最低,這可能是因為,葡萄糖是小分子有機物,在水中溶液的粘度較大,相互粘連的現(xiàn)象可能導致水分子很難通過而造成的。隨著操作壓力的升高,納濾膜對汲取液中MgCl2的截留率也將增加,在壓力為10 bar時,對于鎂離子的截留率達到73.3%。綜上可知,納濾對于FO汲取液的回收有一定的效果。

      3 結論

      FO過程中水通量和反向溶質(zhì)通量與操作條件(汲取液濃度、流速、膜取向)的關系并不是線性的,這是由于膜的濃度極化現(xiàn)象所致。

      當汲取液MgCl2濃度從1 mol/L增加到3 mol/L時,水通量由9.21 L/(m2·h)增大到13.24 L/(m2·h),然而以2 mol MgCl2為汲取液的反向溶質(zhì)通量要高于1 mol MgCl2。這是由于作為傳質(zhì)驅(qū)動力的活性層兩邊的濃度差隨著汲取液濃度的增加而變大,進而產(chǎn)生更高的水通量和反向溶質(zhì)通量,但濃度極化的影響導致其變化并非線性。

      在流速為0.2~0.4 L/min時,其溶質(zhì)水通量隨流速的提高而增加,在0.4 L/min時達到最大13.84 L/(m2·h),但反向溶質(zhì)通量是在流速為0.3 L/min時達到最大為6.9 L/(m2·h),這是由于流速的增加能夠降低邊界層濃度差,緩解濃度極化效應,進而提高水的傳質(zhì)。

      正滲透膜為PRO模式時的最高通量(13.99 L/(m2·h))要大于FO模式(11.64 L/(m2·h)),然而其反向溶質(zhì)通量也大于FO模式最高達到5.3 L/(m2·h),而導致這一現(xiàn)象的原因是FO模式的稀釋濃度極化影響大于PRO模式,造成水通量的降低;而PRO的膜界面有效汲取液濃度要高于FO模式,從而導致更高的反向溶質(zhì)通量。

      正滲透對酸性礦井水中的截留率均達到97%以上,表明FO可以有效的回收AMD中重金屬,然而,離子從汲取溶液到原料液的反向擴散可能會影響到FO在AMD處理中的應用。納濾膜對MgCl2有良好的截留性能,截留率達到73.3%,因此納濾技術可以作為高效回收正滲透汲取液的工藝。

      猜你喜歡
      聚砜溶質(zhì)通量
      有關溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的計算
      滴水成“冰”
      冬小麥田N2O通量研究
      溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)考點突破
      不同單體比例及封端劑對聚砜合成與性能的影響
      “溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)”計算歸類解析
      溶劑揮發(fā)法制備聚砜包覆桐油自修復微膠囊
      中國塑料(2016年5期)2016-04-16 05:25:38
      功能化聚砜-Tb(Ⅲ)離子配合物發(fā)光材料制備方法
      山西化工(2016年6期)2016-04-09 07:17:41
      緩釋型固體二氧化氯的制備及其釋放通量的影響因素
      化工進展(2015年6期)2015-11-13 00:26:29
      聚砜包覆雙環(huán)戊二烯微膠囊的制備
      中國塑料(2015年9期)2015-10-14 01:12:21
      洛扎县| 冕宁县| 莫力| 新津县| 满城县| 井陉县| 宁强县| 缙云县| 吕梁市| 塔城市| 中宁县| 德钦县| 班玛县| 敦煌市| 祥云县| 兰州市| 苗栗市| 平罗县| 清镇市| 衡山县| 都兰县| 宜宾县| 济南市| 二手房| 玉环县| 长春市| 西华县| 洛南县| 定结县| 龙泉市| 吉林市| 南城县| 文化| 集安市| 新河县| 佛坪县| 南陵县| 稻城县| 河曲县| 明星| 两当县|