基于细孔模型研究低截留分子量超滤膜对水中有机微污染物的截留机制

在去除有水中存在的有机微污染物方面，低截留分子量超滤膜较纳滤膜更具节能优势，但其对有机微污染物的截留效能和截留机制尚未得到深入研究。本研究首先基于细孔模型，对三种孔径超滤膜截留不同性质的有机微污染物的规律进行建模；然后通过对膜孔进行球形探针法测算，计算理论截留率；进而将理论截留率与过滤装置上的实测截留率对比，确定截留性能是否由机械截留机制决定，是否存在静电排斥和吸附作用。最后，基于截留机制和截留模型，探讨如何预测膜的截留效能以及如何通过改变过滤条件（膜孔、pH、压力等），提高膜的截留效能。本项目通过计算机模拟手段定量地研究膜截留率与膜性质、污染物性质、运行压力等多因素的关系，对于正确地认识和利用低截留分子量超滤膜对有机微污染物的截留效能具有直接的理论指导意义；对根据我国国情，安全经济地选择膜技术和开发膜技术具有重要的指导和借鉴价值。

通过本课题研究，考察了五氯酚、双酚A等有机微污染物在低截留分子量超滤膜上的截留特性及机制。研究表明，低截留分子量超滤膜对有机微污染物具有一定的截留能力，且截留率受有机微污染物带电性、亲水性、浓度，以及溶液条件（溶液pH，电解质类型、浓度等）等因素影响。基于水力动力模型及浓差极化模型建立了有机微污染物在低截留分子量超滤膜上传质的细孔模型，采用细孔模型对五氯酚、双酚A等机微污染物在低截留分子量超滤膜上的传质规律进行了模拟，对于不带电的有机微污染物，模型具有有较好的拟合效果, 而对于带电的有机微污染物，拟合效果较差，说明带电的有机微污染物在低截留分子量超滤膜上的传质不仅受孔径阻截作用的影响，还有静电排斥等因素影响。通过臭氧氧化法合成了臭氧化富勒烯球作为水溶性形分子探针，建立了荧光分析方法，测量了溶液中臭氧化富勒烯球形分子的含量，研究证明，基于细孔模型模拟的方法，可利用该探针测量低截留分子量超滤膜孔径，为低截留分子量超滤膜孔径测量提供了新方法。基于有机微污染物在超滤膜上的截留规律，分析了五氯酚、双酚A、富里酸等模型污染物在超滤膜上的截留机理。对于不带电的有机微污染物，低截留分子量超滤膜对这类污染物的截留机制主要是膜孔阻截作用，截留率的大小受膜孔以及污染物自身分子尺寸影响. 研究还发现有机微污染物在水溶液中形成的水合分子对截留率的影响很大，当溶液中存在阳离子（如Li+、Na+、Mg2+等），这些离子会和有机微污染物水合分子竞争水分子，从而使有机微污染物水合分子半径变小，使之更容易通过膜，影响的程度符合霍夫曼斯特规律，即、Mg2+ >Li+>Na+。超滤膜截留富里酸时，二价阳离子（Ca2+、Mg2+）会与富里酸形成颗粒物质，形成疏松的滤饼层，而一价离子（Li+、Na+）容易导富里酸凝聚，在膜面形成更为致密的滤饼层，膜污染反而更严重。基于本课题研究平台，还进行了不同表面亲水性、疏水性超滤膜的合成研究，以及开发了抗污染超滤膜-耐盐菌联用工艺设备处理含盐污水研究。通过本课题上述研究成果，为更好地判断和利用低截留分子量超滤膜去除水中有机微污染物，提供了理论支持及工程应用参考。