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無機納米材料在超濾膜中的合理應用

作者:2017-06-19 15:48文章來源:未知
  1 前言
  超濾( Ultrafiltration,UF) 膜技術作為二十一世紀六大高新技術之一,可應用于濃縮、凈化和分離等工藝中。近年來,超濾膜已成為飲用水處理過程中的常用技術,同時在納濾( nanofiltration,NF) 和反滲透( reverse osmosis,RO) 技術的預處理過程中有廣闊應用前景。
  超濾是以壓力為驅動力,過濾精度介于微濾和納濾之間的一種膜分離過程。超濾膜的膜通量、抗污染性能及使用壽命與膜材質有密切關系。為了增加超濾膜的性能,對膜材料進行有機-無機改性是常用的方法,改性后的膜兼具有機和無機膜的優良特征,其物化穩定性、抗污染能力、分離特性和滲透性及膜孔結構完善程度均大大提高。
  近年來,無機納米材料的快速發展為膜材料的開發與設計開辟了新的方向。無機納米材料,如二氧化鈦( TiO2) 、氧化鋁( Al2O3) 、二氧化硅( SiO2) 和碳納米管( CNT) 等,由于其性能穩定且易于制備,促進了納米復合膜的發展。無機納米材料與膜基質結合后,較大的表面積和孔隙通道,增加了膜的親水性,同時全面有效地提高膜整體的分離效率。筆者綜述了近年來無機納米材料在超濾膜方面的最新進展和應用,主要包括TiO2、Al2O3、SiO2、CNT、銀納米粒子及其他無機納米材料,并詳述其應用于超濾膜的作用效果。
  2 TiO2
  納米TiO2的粒徑只有普通TiO2粒徑的百分之一到千分之一,即10 ~ 100nm。納米TiO2具有化學穩定性、抗腐蝕性、強氧化還原性,自凈能力較強,同時具有高選擇性和反應活性,加上其難溶、無毒性和成本低廉等性質,使其在環保領域應用前景廣闊。TiO2應用于超濾膜中可以增加復合膜的親水性,如研究發現,添加納米TiO2可以使PES 超濾膜的親水性增加。TiO2還可以提高超濾膜的抗污性能,如經污水廠活性污泥運行和機械清洗處理后,改性的PES 超濾膜的膜通量的恢復率比未改性的PES 超濾膜恢復率高25. 3%。添加納米TiO2還可以改善膜的內部結構,納米TiO2可以使TiO2 /PVDF 復合膜表面具有更小的平均孔徑和更多的膜內部孔隙,因此可以改善膜的結構和性能,提高膜的抗污染性能。
  在 PVDF 鑄膜液中添加TiO2納米線,發現復合膜的微孔結構、力學性能、熱穩定性、親水性、滲透性及抗污染性能均提高。另外,不同含量( 0 - 4%) 納米TiO2顆粒制備的PVDF/TiO2復合膜比純膜去除大腸桿菌的速率快,納米TiO2含量在4% 時除菌效果最好。在UV 光照條件下,與純PVDF 膜相比,PVDF/TiO2復合膜的光催化特性明顯增強,納米TiO2含量為2% - 4%的復合膜的抗污染和自凈的性能良好,且膜污染后,復合膜的跨膜壓力和水通量可以通過UV 處理快速恢復。
  3 Al2O3
  納米Al2O3作用于超濾膜,有著機械強度大、化學穩定性好、抗微生物能力強、使用壽命長等特點,目前廣泛應用在污水處理、海水淡化、飲用水凈化、藥物濃縮分離等領域。研究發現,以Al2O3 /TiO2混合填料應用于聚偏氟乙烯( PVDF) 超濾膜,以乳化油廢水處理,無機納米復合超濾膜的通量恢復率比純膜高6. 8%。以聚醚砜( PES) 膜添加1%的Al2O3制成的納米復合超濾膜,在跨膜壓差0. 5Mpa 下,純PES 膜和納米復合超濾膜的膜孔隙率分別為68 和66. 6%,以乳清蛋白進料處理后,其初始通量分別為1. 2和1. 99L/m2h,純水通量分別為3. 9 和4. 63L/m2h,通量恢復率分別為58. 2 和96. 1%。當以Al2O3添加量0. 4% 加入純PES 膜后,純PES 膜和納米復合超濾膜的膜孔隙率分別為52 和62%,以血清蛋白進料處理后,發現純水膜通量分別為181 和209L/m2h。
  4 SiO2
  納米SiO2( 粒徑≤100nm) 具有的尺寸效應和宏觀量子隧道效應使其產生淤滲作用,可以深入到高分子鏈的不飽和鍵附近,并和不飽和鍵的電子云發生作用,改善高分子材料的熱穩定性、光穩定性和化學穩定性,達到提高產品的抗老化性能及耐化學性等目的。以Ce /SiO2為填料加入PES 制成的超濾膜,在跨膜壓差0. 05Mpa下,純PES 膜和納米復合超濾膜的膜孔隙率分別為78. 6 和41.7%,用乳化油廢水處理后,截留率分別為98. 3% 和98. 9%。以SiO2為填料加入二醋酸纖維素( CA) 制成的超濾膜,添加量為4%,以血清蛋白進料處理后,發現初始通量分別為5. 2 和19. 8L/m2h,純水通量分別為15. 6 和46. 7L/m2h,截留率分別為94 和81%,通量恢復率分別為61 和75%。以SiO2為填料加入聚砜( PS) 膜制成的超濾膜,添加量為3%,純PS 膜和納米復合超濾膜膜孔隙率分別為36. 2 和79. 17%,以乳化油廢水進料處理后,發現初始通量分別為1. 08 和19. 32L/m2h,通量恢復率分別為10. 3 和34. 01%。
  5 CNT
  CNT 由六角型網格結構組成,具有良好的機械強力,導熱性、導電性、化學穩定性,可以容易地進行化學改性,以改進它們的分散性,增強它們的吸附性。CNT 最早被Choi 等人作為納米填料用于超濾膜,在羧酸鹽中混合1. 5%的CNT 和聚砜,發現這種合成的納米復合材料可以提高純水通量。
  我國復旦大學吳慧青博士將羧基化的多壁碳納米管( MWNTs) 負載到溴化聚苯醚( BPPO) 基體中,制成雜化超濾膜,發現該膜的純水通量隨MWTNs 含量的增加而急劇增大。當膜中不含有MWTNs 時,膜的通量僅是197L/m2h,而當膜中MWTNs 含量為5wt%時,其通量為達到最大值487L/m2h,若再增加MWTNs 含量,膜通量又有所降低,但仍高于不含MWTNs 的純聚合物膜。以PES 膜為基體,CNT 添加量1%制成的超濾膜,純PES 膜和納米復合超濾膜純水通量分別為124 和184L/m2h,BSA 進料處理后,其通量恢復率分別為27 和46%。然而構建具有定向排列結構的碳納米管聚合物復雜化膜,方法十分繁瑣,并且涉及價格昂貴的化學試劑,不適用于實際的工業生產和使用。因此,尋求簡單有效的構建途徑是碳納米管改性超濾膜未來發展的方向。
  6 銀納米粒子
  納米銀的尺寸由于屬于納米級范疇,所以同時具有納米材料的三個主要特點: 量子效應、小尺寸效應和極大的比表面積,因此抗菌效果比常規抗菌劑好,且殺菌效力更持久,極少量的納米銀顆粒即可殺死大量細菌。納米銀顆??咕鷻C理是納米銀能夠與微生物和細菌發生吸附作用,從而夠損傷細菌的加速活性氧自由基的氧化并誘導脫氧酶失活,促使菌體內容物泄漏,并中斷細胞信號轉導從而將細菌殺死。
  膜的超濾性能結果表明,納米銀顆粒修飾后的聚酸砜平板膜和中空纖維膜的水通量和對牛血清蛋白質溶液的截留率均大于未修飾的聚醚諷膜。通量恢復率的結果表明,納米銀顆粒修飾后的PS 膜的抗牛血清蛋白質污染能力比未修飾的PES 膜要強。并且納米銀顆粒修飾后的PES 膜對大腸桿菌繁殖有明顯的抑制作用,能夠提高膜的抗生物污染能力。以PS 膜添加4%的銀納米粒子制成的納米復合超濾膜,在跨膜壓差0. 3Mpa 下,純PS 膜和納米復合超濾膜的接觸角分別為81. 2 和60. 9%,以BSA 進料處理后,其初始通量分別為42 和147L/m2h,純水通量分別為48 和168L/m2h,截留率分別為64 和97%。以PS 膜添加0. 5%的銀納米粒子制成的納米復合超濾膜,在跨膜壓差0. 3Mpa 下,純PS 膜和納米復合超濾膜的接觸角分別為70 和60%,以BSA 進料處理后,其初始通量分別為94. 2 和43. 2L/m2h。
  7 其他無機納米材料
  其它可用于超濾膜的無機納米材料還包括氧化鋯( ZrO2) 、氧化石墨烯( GO) 、蒙脫土( MMT) 、沸石( zcolite) 等。在管式陶瓷微濾膜基礎上制備的ZrO2復合超濾膜可以提高膜的截留率,納米GO 可以改善PVDF 膜的親水性,納米蒙脫土可以提高PVA 膜的力學性能,改性沸石預涂層可以改善超濾膜的通量。
 

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