负电性絮体动态膜构建及与超滤膜协同作用机制

Large molecule weight (MW) organic pollutants are easily removed by traditional coagulation process, whereas removal efficiency of the small MW organic pollutants is limit. Over time small MW organic pollutants can be adsorbed into the membrane surfaces/pores, resulting in serious ultrafiltration (UF) membrane fouling. Owing to the negative charge of membrane surface in solution (pH > 4), a dynamic protection membrane is constructed by the negatively charged flocs. The electrostatic repulsion is investigated between the negatively charged dynamic membrane and the UF membrane surface, which is responsible for the loss of membrane flux. The variations of the pore diameter and structure of the dynamic membrane are revealed during filtration, and the corresponding removal mechanism is elucidated in the presence of different characteristics of pollutants, such as the MW, surface charge, hydrophilic/hydrophobic properties, etc. A stronger negatively charged and thicker dynamic membrane is constructed by regulating the properties of flocs, of which the important characteristics are particle size, fractal dimension, surface charge. The synergistic effect is further revealed between the dynamic membrane and the UF membrane. Additionally, the constitution and proportion of membrane pollution resistance are discussed. Based on the dissolution of the flocs dynamic membrane in strong acid, the recovery of membrane flux and the regrowth of membrane fouling are investigated.

传统混凝技术能有效地去除大分子有机污染物，然而对小分子有机污染物的去除效果并不理想。在超滤膜处理工艺中，随着运行时间的增加小分子有机物仍可到达膜表面，以致吸附/堵塞膜孔，引起严重的膜污染。由于超滤膜在水溶液中（pH > 4）多呈负电性，可在膜表面构建由负电性絮体形成的动态保护膜。本项目将研究负电性絮体动态膜与超滤膜表面之间的静电斥力，考察在静电斥力等作用下动态膜本身导致的膜通量损失。揭示过滤过程中负电性絮体动态膜表面孔径与结构的变化，及对不同分子量、表面电荷、亲疏水性等有机物的去除机理。通过调控絮体粒径、分形维数和表面电荷等，构建负电性更强、沉积层更密实的絮体动态膜，阐明絮体动态膜与超滤膜之间的协同作用关系，并分析膜污染阻力。基于絮体滤饼层易在强酸性条件下清洗的特性，深入研究原位化学清洗对膜通量的恢复及膜污染再增长的过程机制。

在膜法饮用水处理过程中，有诸多关键的科学和技术问题尚未解决。膜污染依然是超滤技术的核心难题，而其本质是污染物逐渐吸附、堵塞于膜面、膜孔。我们设想，是否可以在膜表面构造动态松散保护层，以有效降低污染物直接接触膜表面的概率，从而较大程度地减缓膜污染。所关注的核心问题是：如何有效构建动态保护层，污染物在动态保护层内如何分布，这种分布会对膜滤行为产生什么影响，如何调控各要素间的作用关系并构建最优滤饼层。. 混凝在水处理过程中广泛应用，项目创新性地提出将絮体直接注入膜池以形成动态保护层。利用絮体吸附性强的特性，有效去除污染物；利用絮体密度低、松散性强的特性，通过膜池底部曝气，使絮体充分悬浮于膜池，以此构建絮体动态保护层。针对絮体动态保护层，发现絮体电性是影响污染物在保护层内分布的重要因素。pH<8时，此时絮体呈正电，由于静电吸附，呈负电性的腐殖质（HA）极易被动态保护层截留且较均匀地分布于内部，滤饼层为主要污染机制。当pH>8时，絮体多呈负电，而由于静电排斥，呈负电性的HA不易被截留于动态层内部，而易集中于絮体动态层表面或穿透絮体层到达膜表面。尽管滤饼层仍为主要污染机制，但此时HA易穿透膜孔，尤其小分子HA。. 无论絮体动态保护层荷正电或负电，HA均逐渐吸附/截留于絮体动态保护层，所形成的滤饼层厚度逐渐增大。利用絮体松散的特性，通过适度往复或螺旋旋转膜组件，发现能有效减小滤饼层厚度，减缓膜污染。与铁盐絮体相比，铝盐絮体密度低，离心作用影响较小，能更有效地保护超滤膜。而铁盐絮体在离心作用下，易脱离膜表面。此外，利用絮体易溶于强酸的特性，基于絮体动态保护层的超滤净水工艺易于原位在线化学清洗。目前，该工艺已在江苏常州开展相应中试（规模：3 m3/h）。项目为提升膜技术在饮用水安全保障中的应用水平提供了科学依据和技术原理。