三種高通量膜去除水中鎘離子性能的研究.pdf

1、金屬鎘(Cd)是一種典型重金屬元素，被廣泛應(yīng)用于制備真空電子管、化學(xué)穩(wěn)定劑、殺菌劑、鎳鎘電池和太陽能電池等產(chǎn)品，是污染水環(huán)境的主要污染物質(zhì)之一。去除水中Cd2+的方法很多，其中膜分離法因具有操作簡單、效果穩(wěn)定、便于維護(hù)等優(yōu)勢被廣泛采用。目前，眾多學(xué)者在開發(fā)高通量、高截留率的膜材料和尋求經(jīng)濟(jì)節(jié)能的膜分離方式，用其處理含Cd2+廢水，實現(xiàn)環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益共贏。
　　本文首先以來源廣泛的常見生物質(zhì)葡萄糖為原料，利用碲（Te）納米線作為

2、模板，采用模板指引水熱法制備含碳納米線；通過溶液蒸發(fā)自組裝過程將含碳納米線組裝成含碳納米線膜（CNM），并將其用于模擬含Cd2+廢水的處理研究。通過靜態(tài)吸附實驗、連續(xù)流過水實驗考察CNM對模擬含 Cd2+廢水的處理效能，分析各因素對截留過程的影響；并結(jié)合表征分析，探討截留機(jī)理。
　　通過靜態(tài)吸附實驗研究了CNM對模擬含Cd2+廢水的吸附性能，考察溶液pH、吸附時間、Cd2+初始濃度、吸附溫度等因素對吸附性能的影響。結(jié)果顯示，25℃

3、下CNM對Cd2+的最大吸附容量為312.5 mg·g-1，最佳pH為5.0,20 min內(nèi) CNM對 Cd2+的吸附即可達(dá)到平衡，吸附量隨著這溫度提高而增加。靜態(tài)吸附實驗數(shù)據(jù)符合擬二級動力學(xué),CNM表面的含氧官能團(tuán)（羥基和羧基）是Cd2+的吸附位點。吸附熱力學(xué)分析結(jié)果說明，在選擇溫度范圍內(nèi)，吸附過程使吸熱過程；吸附活化能為61.4 kJ·mol-1，說明化學(xué)吸附占主導(dǎo)地位。除吸附作用外，模擬廢水中Cd2+與CNM表面形成雙電層，可阻止

4、溶液主體中的Cd2+通過膜從而實現(xiàn)截留。在吸附作用和雙電層截留作用共同作用下，CNM在較低的外加壓力（2 kPa）下可獲得水通量為352.3 L·m-2·h-1，在Cd2+初始濃度為10 mg·L-1時截留率為90.6％，實現(xiàn)吸附-過濾一體化。
　　外加壓力驅(qū)動的膜分離過程存在能耗高的缺點。為進(jìn)一步降低膜分離過程中的能耗。本文采用無需外加壓力驅(qū)動的正向滲透（Forward osmosis, FO）對模擬含Cd2+廢水進(jìn)行處理，以尋

5、求更為經(jīng)濟(jì)的膜分離過程用于處理重金屬離子引起的水污染問題?，F(xiàn)今用于FO過程研究的膜材料主要是由薄而致密的活性分離層和提供機(jī)械強(qiáng)度的多孔支撐層構(gòu)成的有機(jī)聚合物膜。這種“兩層結(jié)構(gòu)”導(dǎo)致在多孔支撐層內(nèi)部發(fā)生內(nèi)濃差極化（ICP）現(xiàn)象，使FO水通量明顯低于理論水通量。利用微界面溶膠凝膠法在不銹鋼網(wǎng)基底表面生成SiO2活性層，制備得到準(zhǔn)對稱無機(jī)膜（QSTFI膜），并研究其在FO過程中截留Cd2+的行為特征。
　　實驗結(jié)果表明，QSTFI膜的活

6、性層和基底材料沒有明顯分界面，膜表面攜帶負(fù)電荷，對水接觸角為67.71°。QSTFI膜獨特的準(zhǔn)對稱結(jié)構(gòu)可以避免ICP發(fā)生，而且膜表面親水，使得QSTFI膜在DS為2.0 mol·L-1NaCl溶液、FS為10 mg·L-1 Cd2+溶液時獲得水通量為68.0L·m-2·h-1，高于常見的有機(jī)聚合物FO膜。QSTFI膜表面攜帶負(fù)電荷，可以與FS中的Cd2+形成雙電層，從而截留Cd2+。當(dāng)DS為2.0 mol·L-1 NaCl溶液、FS為1

7、0 mg·L-1 Cd2+溶液時，截留率為99.46%。
　　為進(jìn)一步提高QSTFI膜處理模擬含Cd2+廢水的效能，使用聚乙烯醇（PVA）對QSTFI膜進(jìn)行表面親水修飾。主要從膜結(jié)構(gòu)、表面荷電特性和表面親水性三個方面對PVA修飾膜（PVA-QSTFI膜）和原始QSTFI膜進(jìn)行比較；并通過實驗考察PVA-QSTFI膜處理模擬含Cd2+廢水的效能。
　　研究發(fā)現(xiàn)，PVA-QSTFI膜保留了QSTFI膜的準(zhǔn)對稱結(jié)構(gòu)、表面攜帶負(fù)電荷

8、增多、表面親水性提高。通過實驗優(yōu)化，得到最佳的PVA修飾濃度為0.5 wt%，對應(yīng)的P0.5膜在DS為2.0 mol·L-1 NaCl溶液、FS為10 mg·L-1 Cd2+溶液條件下水通量為76.48 L·m-2·h-1，比同條件QSTFI膜提高12.5%；Cd2+截留率為99.58%。
　　綜上所述，本文制備了高水通量的膜材料CNM、QSTFI和PVA-QSTFI膜，用于處理模擬含Cd2+廢水；并研究了膜材料在低外加壓力和滲透