基于纳滤膜的两性荷电改性与膜孔径的调控增加矿物质的透过率提高小分子有机物的去除效果

Nanofiltration membrane separation is an ideal method for advanced treatment of drinking water. However, several defects have restricted its application, such as relatively low flux, vulnerability to pollution, and the inability to retain organic matters with a molecular weight lower than 200. Meanwhile, most minerals (especially divalent ions) which benefit human health are rejected. .This project intends to develop a novel amphoteric charged (positive and negative) nanofiltration membrane anti-fouling, with higher flux and desired separation capacity in terms of minerals and small organic matters. A corresponding treatment system for micro-polluted raw water is also to be built..The project focus mainly on four aspects: preparation process and conditions to introduce amphoteric polymer to nanofiltration membrane; preparation and characterization of high performance amphoteric nanofiltration membrane, through the study on the type of monomer, concentration, ingredient and conditions for the membrane fabrication; evaluation of impacts on the membrane performance (especially regarding to the fours problems discussed above) of the charge, the porous structure and the pore size; optimization of the corresponding advanced treatment system for drinking water and assessment of its safety and hygiene. Furthermore, it is to be discussed the mechanism of the interaction between the membrane and various kinds of pollutants, as well as the system of retention and filtration of the membrane.

纳滤膜分离是饮用水深度处理的理想技术，但其存在的截留了水中大部分矿物质（尤其是高价离子），不能截留水中小分子有机物（分子量小于200），以及膜通量相对较低等问题是限制其应用的瓶颈。本课题拟开发一种能透过矿物质，截留小分子量有机物，通量高，抗污染的两性荷电纳滤膜（同时带正电荷和负电荷），并构建以两性荷电纳滤膜为核心的微污染水源饮用水深度处理工艺。重点开展用于引入纳滤膜皮层的两性离子聚合物的制备工艺及其制备条件的优化研究；基于单体种类、浓度、配方及制备条件优化的、具有理想微孔结构和尺度，并带两性电荷的纳滤膜的制备与表征；考察其荷电量、微孔结构及尺度等对矿物质的透过，小分子有机物截留的机制，分析两性荷电纳滤膜通量高、抗污染的原理；优化构建以两性纳滤膜为核心的饮用水深度处理工艺，并评价其安全性与卫生学水平。进而阐明两性荷电纳滤膜与各种污染物的相互作用规律、截留、透过效能及其作用机制等科学问题。

针对饮用水水源的有机微污染，目前应用较广泛的处理工艺是臭氧-活性炭，据统计目前我国自来水厂中，采用臭氧-活性炭工艺进行深度处理的比例约为15%。虽然臭氧-活性炭工艺对耗氧量、臭味、氨氮、新兴污染物（PPCP）、消毒副产物的前体物以及生物可同化有机物（AOC）等,都有一定的处理效果,但是，工程应用和科学研究均表明，臭氧-活性炭工艺对耗氧量（CODMn）的去除率只有20%-30%，对有些污染较严重的水源水而言，出厂水达标困难，或虽能达标，但出水耗氧量相对较高（大于2mg/L）；特别是水源水溴离子较高时，臭氧-活性炭工艺会产生毒性很强的溴酸盐和次溴酸盐；另外，臭氧-生物活性炭工艺中，炭池中微生物及水生动物的生存环境好，导致炭池中的微生物、微型水生动物，特别是病原微生物数量的过度孳生，增加了病原微生物从炭池泄露的可能性，故，存在生物安全风险。对此，本项目提出开发一种能透过矿物质，截留微量有机物，通量高，抗污染的新型纳滤膜，从而实现对微污染饮用水水源进行深度处理，项目重点开展高亲水性聚合物制备与表征；纳滤膜制备及其表征与条件优化；纳滤膜水处理性能、机制及其抗污染、通量高的原理研究；以纳滤膜为核心的饮用水深度处理工艺的效能评价。研究结果表明，本课题开发的新型纳滤膜性能稳定，所使用的原材料为赖氨酸，不存在健康风险；新型纳滤膜的分离机理研究结果表明，空间位阻、Donnan效应及介电作用是其主要作用机制；并且，开发的新型纳滤膜能够实现对有机物的高效截留，同时透过大部分矿物质，而且膜的水通量可达到20Lm-2h-1bar-1；以新型纳滤膜为核心的饮用水深度处理工艺系统长期连续运行稳定，对水中有机物的去除率超过70%，同时对水中的矿物质透过率大于80%，满足高品质饮用水的要求。这些研究成果，不仅能保证饮用水安全，而且对发展纳滤膜的分离理论，推动纳滤膜在饮用水深度处理中的应用，都具有重要意义。