基于磷石膏渗滤液处理的高效分离膜制备及机理探究

作     者：杨钊 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁书珊

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：磷石膏渗滤液 膜分离法 聚合物膜制备 选择分离 水处理 磷回收 

摘      要：磷石膏渗滤液是一种组分复杂,具有环境危害性的磷石膏堆场副产物。但同时磷石膏渗滤液中含有的磷是一种高价值的不可再生资源。在含磷废水的处理过程中,纳滤膜能够实现多价阳离子如Mg的截留与磷酸的透过,最终实现磷石膏渗滤液中磷的富集,达到磷石膏渗滤液高效处理与磷资源回收的目的。但目前针对磷酸选择分离以及磷石膏渗滤液处理的膜材料设计与制备却鲜有研究。因此,本文以磷石膏渗滤液为处理对象,根据磷石膏渗滤液的组分特征,制备出了具有高处理效率的耐酸性、抗污染超滤膜,经过表面孔径及电荷调控后适应于磷酸透过及多价金属阳离子截留的磷酸选择分离纳滤膜。并探究了共存离子、溶液p H、磷酸浓度、膜性质等因素对磷酸跨膜运输效率的影响规律。最后,通过三级膜系统过滤磷石膏渗滤液,同步实现磷石膏渗滤液的水处理及磷回收。本文的主要研究内容如下。1、耐酸性、抗污染Kevlar超滤膜的制备及性能探究以聚对苯二甲酰对苯二胺(Kevlar)纤维为原料,通过相转化法合成了一种新型超滤膜Kevlar膜,并探究了其截留性能、抗污染性能以及耐酸性能。结果表明,相较于商业聚偏氟乙烯(PVDF)膜,2 wt%浓度Kevlar铸膜液所制备的Kevlar膜在具备理想的污染物截留能力的同时还具有更高的抗污染能力。在耐酸性能评估中,Kevlar膜在p H为0的磷酸溶液浸泡的情况下能够保持对直接红80溶液高于99%的截留率至少50d,表明其具有较强的耐酸性能力。因此,Kevlar膜被选定为处理磷石膏渗滤液的超滤膜。2、应用于磷酸选择分离的纳滤膜孔径、电荷调控研究以耐酸性Kevlar超滤膜为基膜,分别以1,3,5-苯三甲酰氯(TMC)和支化聚乙烯亚胺(PEI)为油相和水相单体,通过优化后的界面聚合条件制备出了表面荷正电的PEI纳滤膜,并以溶剂活化法对PEI纳滤膜的表面电荷、孔径进行调控,筛选了活化溶剂,探索了溶剂活化时间、温度对PEI纳滤膜选择分离性能的影响。结果表明,二甲基亚砜对PEI纳滤膜有显著的活化效果,且该溶剂的活化作用提高了纳滤膜对氯化镁溶液的截留率以及磷酸的透过率,并同时提高了这两种溶液的渗透通量。升高活化温度可以强化溶剂活化的效果,使得纳滤膜对氯化镁溶液的截留率、磷酸的透过率继续得到提高。最终,以二甲基亚砜作为活化溶剂在60 C下活化PEI纳滤膜15 min后,所制备的纳滤膜分别具有对氯化镁97.4%截留与对磷酸79.7%的透过,具有较强的磷酸选择分离性能。3、磷酸跨膜的影响因素探究及磷石膏渗滤液膜处理探究了共存离子、溶液p H、磷酸浓度以及膜性质对磷酸跨膜的影响,并使用分离膜逐级过滤磷石膏渗滤液,探究了所制备的膜材料在磷石膏渗滤液处理中磷回收及水处理的效果。结果表明,溶液中共存的单价阳离子如Na对磷酸的跨膜有促进作用,共存的高价阳离子如Al以及单价阴离子如Cl对磷酸的跨膜过程有抑制作用。降低溶液p H及提高磷酸浓度能够提高磷酸跨膜的比例,但也会降低纳滤膜对阳离子的截留效果。而纳滤膜的表面孔径大小是过滤磷酸的过程中的关键因子。此外,与商业NF270纳滤膜相比,经过孔径优化和电荷调控后的纳滤膜对磷石膏渗滤液中的磷有更高的透过率(39.4%),对多价金属离子有更高的截留率(高于95%),达到了磷分离富集的效果。最终,应用三级膜过滤系统,实现了磷石膏渗滤液中的磷的高效回收,且反渗透膜出水中各类盐的含量低于10 mg/L,达到了水处理及磷资源回收的目的。