抗有机污染电渗析阴离子交换膜的制备及性能研究

作     者：谢恒馨 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李秀华

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：电渗析 阴离子交换膜 抗污染 海藻酸钙-钠 原位互穿 

摘      要：电渗析是一种高效的脱盐技术,阴离子交换膜作为电渗析的核心,容易受到盐水中有机污染物的污染,目前已有的抗污膜存在抗污层不稳定的问题,制约了电渗析技术在处理高盐废水方面的应用。本论文为解决抗污阴离子交换膜的抗污层与膜本体连接不稳定的问题,研究了不同梯度交联原位互穿结构对改性阴离子交换膜电渗析和抗污性能的影响,初步探明了小分子污染物十二烷基苯磺酸钠(SDBS)以及鸭蛋清蛋白对阴离子交换膜的污染机制,得到了具有稳定抗有机污染和高脱盐性能的新型阴离子交换膜。研究结果为抗污阴离子交换膜在化工工业及食品工业清洁生产中的应用提供了有益的参考。具体工作如下:(1)从海藻酸钙-钠水凝胶自身的亲水性和负电性所赋予其表面抗负电性有机污染物的特性出发,利用离聚物良溶剂与水的任意比互溶性以及热驱动,完成了N-甲基咪唑离子化的聚2,6-二甲基-1,4-苯醚离聚物(IM-QPPO)溶液在不同单侧梯度交联的海藻酸钙-钠水凝胶(CA)薄层中的原位互穿,进而通过后续溶剂挥发制膜工艺成功制备了一系列抗污阴离子交换膜。该系列抗污阴离子交换膜具有合格的热稳定性、吸水性、溶胀率、面电阻和阴离子选择性等基本性能,满足电渗析脱盐工艺要求。电渗析脱盐评价结果证明该系列抗污膜中具有最佳互穿结构的IM-QPPO-0.10CA拥有最高的电流效率(η=88.88%)和最低的能耗(EC=2.53 k Wh kg Na Cl),与商业膜AMX的性能相当(η=89.38%,EC=2.20 k Wh kg Na Cl)。以SDBS为小分子特征有机污染物的污染实验结果证明,IM-QPPO-0.10CA的抗污染能力最强,且未出现结构损坏;紫外光谱测试结果表明SDBS对IM-QPPO-0.10CA是表层污染,对AMX是透过性污染。另外,使用氯化钠溶液浸洗被污染的IM-QPPO-0.10CA后,其脱盐性能与原始膜相当,电流效率为原始膜的99.6%,能耗仅增加4.0%。(2)利用市售咸鸭蛋自制咸蛋清液模拟了食品工业咸蛋清液,研究了抗污膜IM-QPPO-0.10CA和商业膜AMX的咸蛋清液电渗析脱盐性能以及大分子有机污染物蛋清蛋白对膜的污染机制。2小时的电渗析实验结果证明AMX和IM-QPPO-0.10CA均保持较高的电流效率(η=88.42%,η=89.80%),较低的能耗(EC=0.44k Wh kg Na Cl,EC=0.41 k Wh kg Na Cl)和可观的通量(J=53.61 mg ms,J=54.45 mg ms)。蛋白质定性检验证明蛋清蛋白对IM-QPPO-0.10CA和商业膜AMX均没有透过性污染,蛋清蛋白回收率接近100%。6小时的电渗析实验结果证明AMX和IM-QPPO-0.10CA的咸蛋清脱盐性能相当,电流效率基本维持在80%左右,能耗均较低,约为0.45 k Wh kg Na Cl。IM-QPPO-0.10CA在电渗析法处理咸蛋清液脱盐方面具有实际应用价值和前景。