无纺布膜的亲水改性及其抗污染性能研究

论文摘要

近年来,膜生物反应器（membrane bioreactor, MBR）技术作为新的污水处理和污水回用工艺得到广泛的应用。但是,膜污染成为限制MBR发展的一个主要问题,会导致膜的使用寿命缩短,频繁的化学清洗,膜通量降低以及操作费用增加。因此,开发廉价抗污染的膜材料成为研究的热点,这对于膜的长期有效运行以及反应器的推广应用具有重要意义。本文从膜生物反应器中膜污染的特点出发,采用原子转移自由基聚合（Atom Transfer Radical Polymerization, ATRP）技术,在聚丙烯无纺布（Non-woven,NWF）膜表面接枝亲水性的聚乙烯吡咯烷酮（poly（N-Vinyl-2-pyrrolidone）, PNVP）,并对改性膜的制备条件、表征以及抗污染性能进行了研究,结果如下所示：（1）采用臭氧活化和原子转移自由基聚合方法,在无纺布膜表面接枝亲水性的聚合物聚乙烯吡咯烷酮（PNVP）以提高其亲水和抗污染性能。研究了接枝温度,接枝时间以及单体浓度对接枝度的影响,结果表明了ATRP方法的可控性。（2）改性膜的傅里叶红外谱图结果表明聚合物PNVP成功地固定在膜表面；扫描电镜观察表明改性后膜表面附着了一层致密的聚合物层,膜孔径变小；膜表面动态接触角的测定结果表明改性膜的亲水性随着接枝时间的增加而增加,膜表面的动态接触角值由基膜的113.0±1.20降低到52.1±3.0°；由水接触角和正辛烷接触角得到的表面自由能结果显示改性后膜的表面自由能增加,其中极性组分对表面自由能的增加起重要作用。（3）静态蛋白质BSA吸附实验用来考察由膜表面-蛋白质相互作用所产生的膜污染情况。基膜表面的平均BSA吸附量为122,47 mg/m2,改性后膜的最小平均BSA吸附量为21.5 mg/m2,比改性前降低了82.5%,表明无纺布膜固定PNVP后,抗蛋白质的吸附能力明显提高。（4）膜的渗透试验用来衡量膜的抗污染特性。结果表明在膜表面接枝亲水性的PNVP后,膜的渗透通量增加,截留率增加,通量恢复率增加,通量衰减降低。过滤活性污泥上清液过程中,随着接枝时间的增加改性膜的抗污染性能具有增加的趋势,通量衰减率（RFR）由基膜的92%降低到74%。（5）细菌吸附试验用来考察膜的抗细菌吸附能力,结果表明基膜吸附的细菌数量随着离子浓度增加而增加；改性后膜表面吸附细菌数量大幅度下降,且不依赖于离子强度的变化,通过物理方法可大部分清洗掉,表明了其可逆性。这将大大有利于无纺布在MBR中的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 MBR的研究进展
• 1.1.1 MBR的组成和特点
• 1.1.2 MBR的研究概况及应用前景
• 1.2 膜污染
• 1.2.1 膜污染的概念与机理
• 1.2.2 膜污染的影响因素
• 1.2.3 膜污染的延缓措施
• 1.3 膜材料在MBR中的应用
• 1.4 膜改性
• 1.4.1 膜改性方法
• 1.4.2 ATRP膜改性的研究进展
• 1.5 本研究的目的、意义和内容
• 1.5.1 研究目的和意义
• 1.5.2 研究内容
• 2 实验材料与分析方法
• 2.1 实验仪器设备、原料及分析项目
• 2.1.1 实验条件
• 2.1.2 分析方法
• 2.2 聚丙烯熔喷无纺布膜
• 2.2.1 无纺布过滤机制
• 2.2.2 聚丙烯熔喷无纺布的特点
• 2.3 聚丙烯无纺布改性膜的表征
• 2.3.1 傅里叶红外光谱法
• 2.3.2 扫描电子显微镜
• 2.3.3 动态接触角测定
• 2.3.4 表面自由能
• 2.3.5 膜孔径的测定
• 2.3.6 X-射线荧光光谱
• 2.4 聚丙烯无纺布改性膜的抗污染性能评价
• 2.4.1 抗蛋白质吸附能力
• 2.4.2 上清液过滤实验
• 2.4.3 抗细菌吸附能力
• 3 聚乙烯基吡咯烷酮改性无纺布膜的制备及性质
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 无纺布改性膜的制备
• 3.2.2 无纺布改性膜的接枝度
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 ATRP反应机理
• 3.3.2 操作条件对接枝度的影响
• 3.3.3 无纺布改性膜的性质
• 3.4 本章小结
• 4 聚乙烯基吡咯烷酮改性无纺布膜的抗污染性能
• 4.1 抗蛋白质污染性能
• 4.2 改性膜的渗透和抗污染性能
• 4.3 改性膜的抗细菌吸附性能
• 4.4 小结
• 5 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢