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水清洁净化技术革新:膜分离技术

已有 2012 次阅读 2020-12-21 08:40 |系统分类:科研笔记

淡水资源的缺乏和日益加剧的污染,促使人们加快清洁净化技术的革新,膜分离技术在水处理过程中的应用因此得到了快速发展。



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图片来源:Pixabay


既往针对膜分离过程中通量下降、跨膜压差升高问题开展的相关研究,获得了众多性能恢复技术,为膜分离技术的推广应用积累了宝贵的经验。然而,膜污染问题是膜分离技术推广和应用的重要阻碍。因此,深入探讨形成膜污染的根本原因,科学地应用减缓膜污染的策略及采取有效应对措施等,是该领域的研究热点。

 

作者团队在国家 973 计划前期研究专项课题(NO.2008CB417211),国家自然科学基金项目(NO.50308023、NO.50578183、NO.51008243),陕西省重点科技创新团队建设计划及多个重点产业链(群)项目的支持下,在水处理膜分离的理论和技术方面取得多项成果,在技术转化及应用方面创造了良好的经济及环境效益。本书将与膜污染相关的部分成果系统梳理,以理论与实践紧密结合的认识高度,揭示膜污染形成的深层次原因,分析造成膜污染的优势物作用因素,为针对性采取对策、设计与运行管理提供支持。

 

《水处理膜污染结构参数与微观作用评价方法》从膜污染过程中膜孔径和孔隙率的变化特征出发,建立膜污染结构参数模型,从膜的结构参数的变化,获得膜面、膜孔污染的程度和原因,并分析膜污染,提出指导调控运行过程中膜污染的技术方法,为科学地解决膜污染问题,深入探索膜污染微观作用评价技术方法提供一定基础。

 

以前期对膜污染性质的认识为基础,借助多功能 AFM 探针和复杂水质条件的复合污染物 AFM 探针,以及建立的测定技术,科学地测定膜与污染物及污染物与污染物之间的微观作用力,从而达到分析产生膜污染的优势作用物性质的目的,并分析膜污染产生的深层原因。

 

利用石英晶体微天平芯片的吸附技术,测定膜材料或污染物在芯片的吸附特征,通过污染物的吸附量与对膜污染层的软硬度特征分析,评价膜污染特性,克服了某些情况下探针难以制备的困难,更具优势,应用范围更广泛。本书还对超滤膜、纳滤膜、传统材料膜以及特殊用途的改性膜污染的微观作用进行评价,并介绍其基础原理、制作技术、实验手段、性能表征等,希望在膜污染问题研究中起到抛砖引玉的作用。

 

膜污染因膜的应用而生,随着膜污染问题科学地解决,膜的应用范围更广泛。为适应水质千变万化的需求,从膜生产的角度出发,由供给方改进膜性质,能为解决膜污染问题开辟更广阔的天地。

 

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专家推荐
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《水处理膜污染结构参数与微观作用评价方法》一书作者长期从事膜分离理论与技术的研究,在膜污染研究方面取得了颇有新意的成果,并将不少理论成果推进到应用领域,对促进经济建设起到了积极的效果。


在通过膜结构与微观作用的变化评价膜污染特征的研究中,该书以不同结构的膜、实际水质及典型代表污染物为对象,进行了大量实验分析,解析了膜污染机制,在一定程度上获得了一些规律性结果。对于这些结果,该书又以新的认识进行了系统化的分析整合,拓展了知识视野,使其系统性和结构性更好。该书的出版,对膜分离技术在水处理乃至其他领域的应用发展具有积极意义。


侯立安

中国工程院院士


本文摘编自《水处理膜污染结构参数与微观作用评价方法》一书,标题为编者所加。


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《水处理膜污染结构参数与微观作用评价方法》

王磊,王旭东 著

北京:科学出版社,2020.11

ISBN 978-7-03-064083-3

责任编辑:祝 洁 杨 丹


内容简介


《水处理膜污染结构参数与微观作用评价方法》是作者在水处理、膜分离等领域理论与技术成果的总结。本书重点介绍膜污染结构参数模型的建立、验证及在膜污染评价中的应用,膜与污染物及污染物与污染物之间微观作用力的测定原理、方法及在膜污染评价中的应用,QCM-D 分析手段对膜污染物吸附层特征的测定原理、技术方法及针对不同类型污染的评价,以及减缓膜污染的相关技术和对未来技术发展的思考。 本书可供环境工程、市政工程领域的科研人员及从事相关生产和研发的技术人员参考使用,也可供相关专业高校师生阅读。

本书目录



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目录

前言
第1章 绪论 1
1.1 水处理膜分离技术 1
1.1.1 膜分离技术的分类 1
1.1.2 膜分离技术特点概述 2
1.1.3 膜分离技术在水处理中的应用 3
1.2 水处理膜污染概念及影响因素 4
1.2.1 膜污染定义及分类 4
1.2.2 典型膜污染类型 5
1.2.3 水处理中膜污染的影响因素 5
1.3 水处理膜分离过程中不同类型膜的污染问题 7
1.3.1 微滤膜的污染问题 8
1.3.2 超滤膜的污染问题 8
1.3.3 纳滤膜的污染问题 9
1.3.4 电渗析膜、反渗透膜的污染问题 9
1.3.5 其他膜分离过程的污染问题 10
1.4 水中颗粒物的截留机理分析 11
1.4.1 悬浮颗粒的机械截留机理分析 11
1.4.2 膜分离过程中变形体颗粒的截留受力分析 12
1.4.3 分离膜面的滤饼过滤机理分析 12
1.5 水处理膜污染模型分析 13
1.5.1 机理模型 13
1.5.2 经验模型 23
1.5.3 半经验模型 26
1.6 水处理膜污染模型的指导意义及展望 29
1.6.1 基于污染物与膜孔径相对尺度特征的膜污染机理 29
1.6.2 膜污染模型的应用指导分析 31
1.6.3 指导水处理膜污染理论的深化研究 32
参考文献 32
第2章 超滤膜污染结构参数模型的建立及膜污染评价 36
2.1 电镜法对超滤膜污染结构参数的确定 36
2.1.1 聚偏氟乙烯超滤膜污染结构参数的测定 37
2.1.2 对聚丙烯腈超滤膜污染结构参数的测定 38
2.1.3 对聚醚砜超滤膜结构参数的测定 40
2.1.4 不同材质超滤膜结构参数的结构分析 41
2.2 超滤膜污染结构参数模型建立的基础 41
2.3 超滤膜污染结构参数模型 43
2.3.1 膜污染结构参数模型的建立 43
2.3.2 膜污染结构参数的求解 45
2.4 超滤膜污染结构参数模型的实验验证 45
2.4.1 实验装置 45
2.4.2 实验原水 45
2.4.3 实验数据的处理 46
2.4.4 超滤过程膜污染结构参数模型验证 47
2.5 膜污染结构参数模型对超滤膜污染的评价 48
2.5.1 不同性状原水超滤过程的膜污染结构参数评价 48
2.5.2 不同操作条件和运行模式下的膜污染结构参数评价 52
2.6 基于超滤膜污染结构参数的膜污染控制方法及控制系统 55
2.6.1 基于超滤膜污染结构参数的膜污染控制方法介绍 55
2.6.2 基于超滤膜污染结构参数变化的膜污染控制系统 55
2.6.3 基于超滤膜污染结构参数的膜污染控制方法及系统应用 58
参考文献 60
第3章 超滤膜污染机制的微观作用评价 62
3.1 原子力显微镜及胶体探针技术简介 62
3.1.1 原子力显微镜概述 62
3.1.2 原子力显微镜胶体探针 63
3.1.3 原子力显微镜在膜污染研究领域的应用 63
3.2 AFM胶体探针制备方法 64
3.3 AFM胶体探针制备平台的设计与搭建 65
3.4 AFM胶体探针的制备 66
3.4.1 熔融烧结法制备 PVDF胶体探针 66
3.4.2 吸附法制备有机物胶体探针 67
3.4.3 物理黏附法制备羧基官能团胶体探针 69
3.5 AFM胶体探针使用性能检验分析 69
3.6 超滤膜污染微观作用力测定方法 70
3.6.1 微观作用力表述 70
3.6.2 微观作用力测定方法 71
3.7 典型溶解性有机物对 PVDF超滤膜污染的微观作用力评价 72
3.7.1 典型有机物对超滤膜的宏观膜污染行为特征 72
3.7.2 典型有机物超滤膜面污染层结构特征分析 72
3.7.3 典型有机物超滤膜污染机理微观作用力评价 74
3.8 无机盐含量对超滤膜有机物污染影响的微观作用力机制评价 77
3.8.1 离子强度对超滤膜有机物污染的微观作用力影响评价 77
3.8.2 无机离子种类对超滤膜有机物污染的微观作用力影响 82
3.9 实际水质的超滤膜污染微观作用力评价 84
3.9.1 城市二级处理水水质特征分析 84
3.9.2 不同亲疏水性有机物对超滤膜污染行为的微观作用力研究 85
3.9.3 二级处理水总残留有机污染物与膜及有机物间微观作用力评价 88
3.10 膜污染微观作用力对膜制备及运行的指导 89
参考文献 90
第4章 超滤膜污染的 QCM-D分析与评价 94
4.1 QCM-D技术简介 95
4.1.1 QCM工作原理与设备构成 95
4.1.2 QCM分析原理 97
4.1.3 QCM-D工作原理 98
4.2 QCM-D技术应用于膜污染分析的原理和方法 101
4.2.1 QCM-D技术应用于膜污染分析的原理和过程 101
4.2.2 QCM-D覆膜芯片制备与表征 103
4.3 典型有机污染物超滤膜污染行为的 QCM-D分析与评价 106
4.4 复杂水质条件下 PVDF超滤膜膜污染行为的 QCM-D分析与评价 110
4.5 无机盐协同 BSA超滤膜污染行为的 QCM-D分析与评价 114
参考文献 116
第5章 纳滤膜污染机制的微观作用评价 118
5.1 纳滤膜与纳滤膜污染 118
5.1.1 纳滤膜 118
5.1.2 纳滤膜污染及分类 118
5.2 纳滤膜污染的影响因素及特征 119
5.2.1 原水水质的影响及特征 120
5.2.2 纳滤膜性能的影响及特征 122
5.2.3 系统操作条件的影响及特征 122
5.2.4 浓差极化作用的影响及特征 123
5.3 纳滤膜污染的分析与表征方法 124
5.3.1 污染膜的表面物理特征分析与表征 124
5.3.2 污染膜的表面化学特征分析与表征 124
5.3.3 污染膜的表面生物特征分析与表征 124
5.4 纳滤膜的复合污染作用 125
5.4.1 复合污染的协同作用 125
5.4.2 复合污染的拮抗作用 125
5.5 纳滤膜有机.无机复合污染的特征与微观作用机制评价 126
5.5.1 有机-无机复合污染的特征分析 126
5.5.2 有机-无机复合污染的微观作用测试技术 128
5.5.3 有机-无机复合污染过程中的污染物微观吸附特征评价 129
5.5.4 有机-无机复合污染过程中的微观作用力评价 132
5.5.5 有机-无机复合污染过程中结垢污染的微观作用机制综合评价 135
参考文献 136
第6章 缓解水处理膜污染的技术方法与分析 139
6.1 水处理膜污染的缓解技术 139
6.1.1 污染膜的清洗与技术选择 139
6.1.2 污染膜的常规清洗技术 140
6.1.3 特殊清洗技术 142
6.2 操作条件对膜污染的影响分析 145
6.2.1 膜分离过程的流动及传质方程 145
6.2.2 死端过滤与错流过滤对膜污染的影响分析 145
6.2.3 脉冲及连续流进水方式对膜污染的影响分析 147
6.2.4 其他操作方式对膜污染的影响分析 148
6.3 水处理膜抗污染性能改进方法 149
6.3.1 水处理膜抗污染改性的主要目标 150
6.3.2 水处理膜抗污染改性的技术方法 150
6.4 调整膜结构改进膜抗污染性能 153
6.4.1 膜的孔隙结构对膜抗污染性能的影响 153
6.4.2 膜材料性质对膜结构的影响 153
6.4.3 膜制备方法对膜结构的影响 154
6.5 调整膜面性质改进膜抗污染性能 154
6.5.1 膜表面的亲疏水性质对膜抗污染性能的影响 154
6.5.2 膜表面电荷与溶质性质对膜抗污染性能的影响 155
6.5.3 膜表面粗糙度对膜抗污染性能的影响 156
参考文献 156


本期编辑丨王芳


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