PES-PE-ZnO三元复合膜的构建及其抗污染机理研究

Membrane fouling is the bottleneck to restrain commercialization of membrane technology. Developing organic-inorganic composite membrane is an important solution for this problem. In this proposal, we will develop a PES-PE-ZnO triple composite membrane, which will show great antifouling ability. ZnO will be dispersed into PSS solution to get ZnO-PSS- solution so that agglomeration will be prevented. The PES membrane will be immersed into PDADMAC and ZnO-PSS- solutions successively. By the self-assembly of PE, ZnO will be fixed on the PES membrane and PES-PE-ZnO triple composite membrane will be gained. In order to researching the antifouling mechanism, the surfaces of membrane and pollutants will be modeled by mathematical method. By the XDLVO theory and surface element integration(SEI) method, the interaction force between membrane and pollutants will be calculated quantitatively. The modeling results will be compared with the experimental results and the mathematical model be used to direct the building of antifouling composite membrane. The expected results will improve the applying of composite membrane in polluting water treatment.

膜污染是制约膜法污水处理技术广泛应用的瓶颈问题。开发有机-无机纳米粒子复合膜是提高膜抗污染性的重要途径，无机纳米粒子在复合膜中均匀固定是构建有机-无机纳米粒子复合膜的关键问题。本项目拟开发一种聚醚砜（PES）-聚电解质（PE）-氧化锌（ZnO）高抗污染的三元复合膜。通过聚苯乙烯磺酸钠（PSS）包覆纳米氧化锌（ZnO）制备ZnO-PSS-溶液以阻止纳米ZnO的团聚，然后将PES膜先后浸入到聚二烯丙基甲基氯化铵（PDADMAC）溶液和ZnO-PSS-溶液中进行层层自组装得到PES-PE-ZnO三元复合膜。在此基础上进行三元复合膜抗污染机理研究，拟采用数理方法对膜和污染物表面形态进行数学建模，通过XDLVO理论结合表面元积分法量化评价膜和污染物之间的界面作用力，以指导高抗污染复合膜的构建。本项目的实施对推动复合膜的实际工业化应用具有重要意义。

膜污染是膜法水处理领域的瓶颈性问题。为此，本项目中采用层层自组装（LBL）、辐射接枝、化学镀等技术对膜进行抗污化改性。层层自组装法制备的高分子-聚电解质（PE）复合膜的水接触角明显降低，表面负电性增强，对污泥溶液、牛血清蛋白（BSA）溶液和海藻酸钠溶液呈现出明显的抗污染性能。辐射接枝法制备的复合膜表面更加亲水，因而对疏水的BSA具备高效的抗污染性能。同时，在酸性阶段膜通量表现出对pH值的良好依赖性，通量对接枝膜的pH值的依赖关系可用指数方程来描述，其R平方为0.99887。化学镀法制备的复合膜具备优良的导电性，在电场辅助作用下，可实现对染料废水的高效脱色，通量超过202 L·m-2·h-1·bar-1。并且，对染料、BSA、生物污染物等具有明显的抗污染性能。为了解析膜抗污染的机制，借助MATALAB对膜和污染物表面形态进行数学建模，并通过分形理论（FT）接近真实化的模拟膜和污染物的随机粗糙表面。采用 XDLVO 理论计算膜和污染物之间的界面作用力，在超级计算机上进行模拟量化计算。计算结果显示，改性膜和污染物之间的界面范德华吸引作用力明显低于未改性的膜，因此，从化学热动力学方面解释膜抗污染性的机理。本研究课题在污水处理及资源化方面具有重要的学术和应用价值。.研究成果较丰硕，以较大的超额完成了设定的目标任务。目前，已发表学术文章20篇（计划任务为2-3篇），其中SCI论文19篇（计划任务为2篇），申请国家专利6项（计划任务2项），已获得授权2项。人才培养成果显著，3位青年教师获得晋升高一级职称，培养4名硕士研究生（计划任务为2名）。