无机质基动态膜的设计、制备及其在油水分离中抗污染机理的研究

以油水乳化液分离为背景，设计和制备出以无机膜（如炭膜）为基膜、以微米级无机颗粒为动态膜层材料的抗污染"无机质基动态膜"，优化动态膜制备条件和油水分离的操作条件，揭示动态膜形成机理和动态膜油水分离过程污染机理。此外，利用SEM等测试手段表征基膜和动态膜层的结构，测定动态膜的亲水性；考察动态膜形成过程及其在油水分离过程中各种影响因素及其影响规律；寻求动态膜油水分离过程的强化措施（如引入两相流技术）和动态膜层与基膜的完全剥离、动态膜清洗复用手段；建立动态膜形成过程和油水分离过程的传质机理模型，探讨如基膜厚度、孔结构参数及动态膜的性质等因素对分离过程的影响，指导动态膜的制备及应用过程。.本项目在油水分离研究的的基础上，尝试将动态膜拓广应用于如染料废水等工业废水分离中，为膜分离技术在废水处理及回用方面的应用提供重要的技术支撑，对于减少环境污染、实现污水的资源化和循环利用具有十分重要的意义。

油水乳化液是主要的环境污染物之一，严重地影响生态平衡。用普通的膜分离方法处理这种废水存在通量小、污染大等问题。因此，寻找抗污染能力强、通量大的膜材料或将膜进行改性是解决这一问题的有效手段。本研究以多孔管式炭膜及陶瓷膜为基膜、亲水性无机质颗粒为涂膜材料，设计制备一种无机质基动态膜，并将其用在油水乳化液的分离，从实验和理论两个角度开展系统研究。在考察基膜渗透性能的基础上，研究了成膜材料和操作参数对动态膜制备过程的影响，确定合理的基膜和涂膜材料。结果发现，炭膜基ZrO2动态膜和陶瓷膜基高岭土动态膜可较好地用于油水乳化液的分离，过程污染程度降低、通量较大；利用正交实验法考察操作条件对炭膜基动态膜分离油水乳化液的影响规律，得出炭膜基ZrO2动态膜分离油水乳化液的最优操作条件为：流速0.85m/s、分离压差0.12MPa、乳化液温度45℃、乳化液浓度0.1g/L；采用灰色关联分析法分析陶瓷膜基高岭土动态膜油水分离过程中各操作条件对分离效果的影响程度，确定了影响因素的排列顺序，以油水渗透通量为参考数列，操作参数对油水乳化液分离效果影响的优先次序为：流量>油水分离压差>涂膜时间>涂膜压差>涂膜液浓度>操作温度>油浓度；以出水COD值为参考数列，优先次序为：油水分离压差>油浓度>涂膜液浓度>操作温度>涂膜压差>流量>涂膜时间。在此基础上具体研究了以上各操作条件对油水分离过程稳定通量的影响，确定了合理的操作条件为：涂膜压差0.14MPa、涂膜时间25min、流量80L/h、油水分离压差0.12MPa。实验结果表明，采用动态膜处理油水乳化液能获得较大的渗透通量和较高的截留率，油水渗透液浓度低于15mg/L，达到国家环保排放要求。在实验研究的基础上，本研究还全面开展动态膜形成机理的理论研究。通过分析实验现象和规律，寻找动态膜制备和油水分离过程中的阻力分配关系，利用力平衡原理分析膜管内颗粒的受力情况，分别建立水平膜管内流动方向、颗粒沉积方向和圆周方向上的三种颗粒沉积临界粒径模型。模拟讨论温度、流速和渗透通量对沉积颗粒临界粒径影响；以临界粒径模型为核心建立动态膜形成模型来预测动态膜增长规律，提出了促使动态膜均匀分布的措施。实验结果与模拟结果的对比研究证实了所建模型的可靠性，该模型可用于深入探讨颗粒沉积和动态膜用于油水分离的机理。本研究工作结果为动态膜的研究与应用奠定了良好的理论和应用基础。