荷電性能對納濾膜鹽水軟化中膜面結垢過程的影響機制

《荷電性能對納濾膜鹽水軟化中膜面結垢過程的影響機制》是依託河南師範大學，由宋躍飛擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：荷電性能對納濾膜鹽水軟化中膜面結垢過程的影響機制
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：宋躍飛
• 依託單位：河南師範大學

項目摘要

隨著膜技術的發展，荷電性納濾（NF）膜套用於鹽水溶液軟化顯示出良好的前景。基於荷電NF膜在中低濃度範圍的進水端主體溶液軟化過程中，濃水端的膜面處易出現結垢污染，因此，開展荷電性能對NF膜面結垢過程的影響機制及可能存在的其它結垢機理研究是十分必要的。為此，本項目擬開展不同荷電性能的NF膜面結垢過程實驗，構建膜面結垢過程中荷電性能作用機制路線圖，研究流動電位、Zeta電位和膜表面電荷密度對構晶離子濃差極化、膜面成核速率和膜面結垢生長的影響，深化對荷電性能、濃差極化、膜面成核速率和膜面結垢生長四者相互作用的機制認識，闡明荷電性能對NF膜鹽水溶液體系軟化過程中膜面結垢過程的影響機制。通過解析荷電性能對NF膜鹽水溶液軟化時膜面結垢過程中的影響機制及不同因素之間的互動作用，提出一套具有普適性和代表性的影響機制評估方法體系，為科學評估荷電NF膜鹽水溶液軟化過程中膜面結垢潛能、制定防垢措施提供依據。

結題摘要

荷電性能對納濾（NF）膜鹽水溶液體系軟化具有重要影響，並且前期研究證實了利用NF膜的荷電性能開展鹽水溶液體系的截留研究思路是可行的，但其對構晶離子的濃差極化、NF膜面成核和結垢生長等結垢過程的影響機制尚不完全清楚。這在很大程度上制約了NF膜鹽水軟化技術的規模化套用。為此，本項目開展了不同荷電性能的NF膜在相同研究體系下對膜面結垢過程的影響機制實驗，研究了流動電位、Zeta電位和膜表面電荷密度對構晶離子濃差極化、膜面成核速率和膜面平均結垢速率的影響，深化了對荷電性能、濃差極化、膜面成核結晶和膜面結垢生長四者相互作用的機制認識，闡明了荷電性能對NF膜鹽水溶液體系軟化中膜面結垢過程的影響機制。本研究以DK型NF膜為載體，通過自製的切向流動電位分析儀對臨閾濃度時不同進水條件（濃度、pH、壓力及離子強度）下進行流動電位測定，代入H−S方程計算了NF膜面Zeta電位值，再採用NF評價儀對鹽水溶液在相同條件下進行滲透實驗，根據濃差極化模型計算了膜面處構晶離子濃度，並依據經典成核理論進行成核速率和誘導時間的測算。最後，在長達500 h的全閉合循環式結垢實驗中，採用Pervov模型對結垢速率進行計算，並採用SEM、XPS及ATR−FTIR技術對NF膜面垢體進行表征和分析。結果表明隨構晶離子濃度由0.5增加至18 mol.m−3時，膜面流動電位及Zeta電位絕對值均逐漸減小，膜面電荷密度增加。在臨閾濃度時膜面依然存在較弱的流動電位值存在，並未出現零電荷現象；隨溶液pH的增大，膜面官能團（−COOH）的發生解離，膜面親水性的改變是產水通量的主要影響因素。由於膜面濃差極化現象的存在，膜面處構晶離子濃度逐漸增加，膜面−COO−與Ca2+離子形成離子鍵，Ca2+與SO42−離子進而反應生成並以表面結晶的方式析出無機垢體。本項目的研究結果將為利用NF膜的荷電性能，提出高效的NF膜結垢調控策略和降低NF膜鹽水軟化成本探索一條新途徑。