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亲水性复合超滤膜的制备工艺优化及其耐油污染性能研究
一、研究背景与意义
(一)含油废水处理的行业挑战
随着现代工业的蓬勃发展,石油化工、机械加工、金属冶炼等行业在生产过程中产生了大量的含油废水。据统计,全球每年排放的含油废水高达数亿吨,这些废水若未经有效处理直接排放,将对土壤、水体等生态环境造成严重污染。例如,含油废水排入水体后,会在水面形成一层油膜,阻碍大气与水体之间的氧气交换,导致水中溶解氧含量降低,水生生物因缺氧而死亡,破坏水生态平衡;若渗入土壤,会堵塞土壤孔隙,影响土壤透气性和农作物对水分、养分的吸收,导致农作物减产甚至死亡。
含油废水中的油类成分复杂,主要包括浮油、分散油、乳化油和溶解油。其中,乳化油由于其油滴粒径小(通常小于10μm),且表面带有电荷,在水中形成稳定的乳液体系,难以通过传统的重力分离、气浮等方法去除,成为含油废水处理的难点。传统的含油废水处理技术,如重力分离法,主要适用于去除粒径较大的浮油,对于乳化油和溶解油的去除效果有限;化学破乳法虽然能破坏乳化油的稳定性,但需要投加大量的化学药剂,不仅增加了处理成本,还可能产生二次污染,如产生大量难以处理的含油污泥。这些问题严重制约了含油废水处理技术的发展和应用,亟待寻找一种高效、环保的处理方法。
(二)亲水性复合超滤膜的研究价值
超滤膜技术作为一种新兴的膜分离技术,具有分离效率高、能耗低、操作简单等优点,在含油废水处理领域展现出了巨大的潜力。超滤膜的孔径一般在0.001-0.1μm之间,能够有效截留含油废水中的油滴、悬浮物和大分子有机物,实现油水分离。然而,在实际应用中,超滤膜面临着严重的膜污染问题,尤其是在处理含油废水时,膜表面容易吸附油脂等污染物,形成一层致密的污染层,导致膜通量急剧下降,过滤阻力增大,膜的使用寿命缩短,这成为限制超滤膜技术大规模应用于含油废水处理的关键瓶颈。
亲水性复合超滤膜的出现为解决这一问题提供了新的思路。通过在超滤膜表面引入亲水性基团或制备亲水性复合层,可提高膜表面的亲水性,使水分子更容易在膜表面铺展和渗透,而油滴则难以在亲水性膜表面附着,从而有效减少油滴在膜表面的黏附、沉积,降低膜污染程度,延长膜的使用寿命。同时,亲水性复合超滤膜还可以通过优化膜的结构和材料,进一步提高膜的分离性能和抗污染能力,实现对含油废水的高效、稳定处理。因此,开展亲水性复合超滤膜的制备及其耐油污染性能的研究,对于解决含油废水处理难题,推动超滤膜技术在环保领域的广泛应用具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、亲水性复合超滤膜制备工艺研究
(一)基础材料选择与配方设计
1.基材筛选与亲水性改性剂配比
在亲水性复合超滤膜的制备中,基材的选择至关重要。聚醚砜(PES)和聚偏氟乙烯(PVDF)等疏水性聚合物因具有良好的机械强度、化学稳定性和可加工性,成为常用的基材。然而,其疏水性表面容易导致油滴吸附,引发膜污染。为改善这一问题,需复配亲水性功能材料。聚乙烯醇(PVA)是一种水溶性合成高分子材料,分子链上大量的羟基使其具有较强的亲水性,与水相近的溶解度参数,能有效提高膜表面的亲水性;壳聚糖(CS)作为一种天然的聚阳离子生物高分子材料,具有良好的生物可降解性、可吸附性和生物活性,成膜后可赋予膜一定的抗菌性能,进一步提升膜的抗污染能力;两性离子聚合物则通过在分子结构中引入正负离子基团,使其在不同环境下都能表现出良好的亲水性和抗污染性能。
研究表明,亲水性功能材料的添加量对膜的性能有显著影响。当亲水性功能材料的质量比在5%-20%范围内时,可在一定程度上平衡膜的机械强度与亲水性。若添加量过低,膜的亲水性改善不明显,耐油污染性能提升有限;而添加量过高,则可能会破坏膜的原有结构,导致膜的机械强度下降,影响膜的使用寿命。例如,在一项研究中,当PVA的添加量为10%时,制备的亲水性复合超滤膜在保持较好机械强度的同时,水接触角明显降低,亲水性显著提高,对油滴的排斥力增强,耐油污染性能得到有效改善。
2.支撑层与分离层材料适配
为实现亲水性复合超滤膜的高效分离性能,构建合理的“强支撑-高选择”复合结构至关重要。采用相转化法制备多孔支撑层,通过控制制备工艺参数,可使支撑层具有60%-70%的孔隙率和0.1-0.5μm的平均孔径。较高的孔隙率可保证支撑层具有良好的透水性能,为分离层提供稳定的支撑;合适的孔径则有助于防止分离层在制备过程中发生堵塞,同时确保分离层与支撑层之间具有良好的结合力。
在表面构建超薄亲水性分离层时,可采用界面聚合或涂层技术。界面聚合是在亲水性基底表面,通过两种互不相溶的单体在界面处发生聚合反应,形成具有纳米级孔径的超薄分离层,该分离层能够有效截留含油废水中的油滴和大分子污染物,实现高效分离;涂层技术则是将亲水性材料
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