纳米纤维素改性制备造纸废水处理回用膜及其调控机理的研究

当前及未来人类面临的最大的挑战就是可持续地提供清洁饮用水和工农业生产用水。造纸工业既是用水大户又是废水排放大户，随着造纸业的迅猛发展，对造纸废水的处理回用必将成为可持续发展的必要措施。膜处理技术是造纸废水深度处理再回用的关键技术，本研究拟对当前用于海水淡化的过滤膜进行改进，使其具有高的通量、更高选择性而不易于被污染，以适应造纸废水处理的回用需要。纳米纤维素由于其非凡的超分子结构和特殊的特点，如高纯度、高分子量、高结晶度等，对其进行醚化、乙酰化、羟乙基化或接枝改性，将改性后的纤维素溶于合适的溶剂配成铸涂液，通过相转移法铸涂成膜，并控制凝固浴的组成、凝固浴的温度、凝固浴的浓度等条件，从而控制成膜具有高通量、高选择性、寿命长和合适的孔隙，使改性后的纳米纤维素膜能够适合造纸废水脱盐和除胶粘溶解物的需要，并与纳米分子筛相结合，实现造纸废水的循环回用，对节水减排具有重大的理论意义与实际应用意义。

淡水资源危机是人类继石油危机另一个所面临亟待解决的问题，如何对工业废水进行处理达到回用是我们一直研究的目的。无论是造纸中段水还是城市生活污水深度处理后都含有大量的无机盐，这是影响其回用最主要的原因。本研究主要采用膜技术对制浆造纸废水的脱盐性能进行了研究，研究内容包括以下几点：（1）首先分别以棉浆和竹浆纤维为原料采用酸解法制备了具有纳米尺寸的纤维素。结果表明，棉浆纤维制备NCC的效果比较好，制备的NCC粒径分布范围较窄，平均粒径为247.9 nm，得率在60 %以上；（2）对纳米纤维素进行化学改性，包括乙酰化改性、阳离子改性、接枝改性等，并以无水氯化锂/N,N-二甲基乙酰胺作为溶剂溶解纤维素衍生物，制备出了超滤膜，以CAC膜为例，其CODcr、SS、色度、电导率单程脱除率分别可达：46.6%、53.3%、72%和13.5%。由此可见，以纤维素衍生物为材料制备的膜脱除有机物以及悬浮物等大分子具有较好的效果，但是脱盐效果较差；（3）采用纤维素衍生物与高分子聚合物聚醚砜共混制备纳米纤维素复合膜材料，然后以无纺布基CA/PES共混膜为支撑基膜，间苯二胺（MPD）为水相功能单体，均苯三甲酰氯（TMC）为有机相功能单体，通过界面聚合法制备复合膜。将制备的膜材料分别与市售的膜材料进行对比，对造纸厂经“絮凝沉淀+好氧+厌氧”三级处理后达标排放的造纸废水进行最后一步的膜处理，实验室自制的膜材料COD由141.5 mg/L降到72 mg/L，电导率由1673µS/cm降到200µS/cm。反渗透膜BW30处理废水的COD由141.5 mg/L降到38 mg/L，电导率由1673µS/cm降到63µS/cm。实验室制备的膜材料与国际最领先的膜材料在过滤性能有一定的差距，这是受限于实验室的制膜工艺。但总体来说，实验室自制的膜具有一定的过滤功能，单程可以将废水中的大部分无机盐截留。因此造纸废水经过膜组件过滤之后，电导率可以达到BW30的效果，实现制浆造纸废水循环回用，完全达到零排放的目的。