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中科院城市環(huán)境所鄭煜銘研究員課題組在自支撐正滲透膜的制備及其應(yīng)用研究中獲進(jìn)展
2019-06-17  來(lái)源:中國(guó)聚合物網(wǎng)
關(guān)鍵詞:正滲透膜 抗生素 膜分離

  隨著全球人口的激增和化石原料的即將耗盡,水資源短缺、能源緊張和環(huán)境污染已成為當(dāng)今世界面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。水資源的短缺與污染,不僅嚴(yán)重制約著社會(huì)的發(fā)展,由水污染引起的疾病也成為威脅人類健康的危險(xiǎn)殺手。因此,在從根本上減少水污染的同時(shí),如何能有效、低能耗地進(jìn)行污水處理及廢水的回收利用成為當(dāng)前人們所關(guān)注的焦點(diǎn)。在眾多的水處理工藝中,膜分離技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代,被認(rèn)為是“21世紀(jì)最有發(fā)展前景的技術(shù)之一”。中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所鄭煜銘研究員課題組致力于新型膜材料的研發(fā)及其在抗生素廢水處理方面的研究。 

  正滲透(FO)是一種新型的濃度驅(qū)動(dòng)型膜分離過(guò)程,操作過(guò)程不需外界施壓,具有能耗低、操作條件溫和、鹽截率高等優(yōu)點(diǎn);與傳統(tǒng)的壓力驅(qū)動(dòng)膜分離技術(shù)相比,F(xiàn)O過(guò)程還具有膜污染較輕、膜過(guò)程和設(shè)備較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。隨著FO越來(lái)越受到人們的重視,大量研究聚焦于FO技術(shù)在能源、海水淡化、制藥工業(yè)、廢水處理以及食品加工等領(lǐng)域的應(yīng)用。研究組將商業(yè)化的FO復(fù)合薄膜用于四環(huán)素廢水的回收分離,研究了FO技術(shù)處理四環(huán)素廢水的性能。研究實(shí)驗(yàn)表明:商業(yè)FO膜水通量和TC截留率分別高于20 LMH和99.0%;四環(huán)素的濃縮因子可達(dá)到2.6,經(jīng)FO濃縮的TC能通過(guò)結(jié)晶進(jìn)行回收該工作發(fā)表在Sep. Purif. Technol. 2015,153:76-83。 

FO能濃縮廢水中抗生素,經(jīng)濃縮的TC可通過(guò)結(jié)晶法回收 

  FO膜是正滲透分離的核心,現(xiàn)有FO膜低的水通量、嚴(yán)重的內(nèi)部濃差極化和膜污染等問(wèn)題,限制了正滲透技術(shù)的廣泛應(yīng)用。開(kāi)發(fā)新型的高性能正滲透復(fù)合膜,在保持高選擇性的同時(shí),減少內(nèi)部濃差極化,提高水通量,增強(qiáng)膜抗污染性能,成為FO大規(guī)模應(yīng)用亟需解決的問(wèn)題。隨著納米科技的發(fā)展,納米纖維膜的出現(xiàn)有望克服這一瓶頸。而靜電紡絲技術(shù)是制備具有連續(xù)長(zhǎng)纖維結(jié)構(gòu)納米纖維膜最直接、最高效的方法。由于其具有比表面積大、內(nèi)部貫穿的孔道等特點(diǎn),以靜電紡纖維膜作為膜支撐層,有望有效地降低傳質(zhì)阻力,提高水通量。因此,研究組以制備高性能FO膜為出發(fā)點(diǎn),采用靜電紡絲技術(shù)為基礎(chǔ)制備新型的納米纖維FO復(fù)合膜,并將制備的FO膜用于抗生素廢水處理。研究表明:自制FO膜納米纖維支撐層為多孔支架結(jié)構(gòu),具備低的結(jié)構(gòu)系數(shù)值(168μm),有效地減輕膜內(nèi)部濃差極化,且具有較好的選擇滲透性,以2 M NaCl為驅(qū)動(dòng)液的條件下,水通量達(dá)能41 LMH;將自制FO膜用于FO-MD(膜蒸餾)耦合系統(tǒng)處理TC廢水,結(jié)果表明,F(xiàn)O-MD耦合系統(tǒng)有效地分離TC,TC去除率高達(dá)99.9%,且水回收率為15%-22%。該工作發(fā)表于J. Membr. Sci., 2017, 523, 205-215。

采用靜電紡絲技術(shù)與界面聚合相結(jié)合的方法,制備靜電紡納米纖維自支撐聚酰胺/聚丙烯腈復(fù)合膜;制備的FO膜具有低的結(jié)構(gòu)系數(shù)值和較好的選擇滲透性;將其用于FO-MD耦合系統(tǒng)處理抗生素廢水,不僅能有效地分離抗生素,同時(shí)還能產(chǎn)淡水。

  為了進(jìn)一步提高FO膜的抗污染性能,研究組應(yīng)用原位合成將納米銀引入納米纖維支撐層,成功制備了負(fù)載銀納米顆粒的抗菌FO復(fù)合膜。通過(guò)原位還原制備的粒徑約為10 nm的銀納米顆粒均勻地分散在PAN纖維內(nèi)部及纖維表面;銀納米顆粒的引入增強(qiáng)了支撐層的親水性,促進(jìn)膜水通量的增高;銀釋放速度緩慢,釋放時(shí)間長(zhǎng),能長(zhǎng)期有效地提供痕量銀離子;自制抗菌FO復(fù)合膜對(duì)大腸桿菌(E. coli)與金黃色葡萄球菌(S. aureus)表現(xiàn)出良好的抑制生長(zhǎng)作用。該成果發(fā)表于Ind. Eng. Chem. Res. 2019, 58, 984-993。

原位合成制備了抗菌型納米纖維自支撐FO膜;有效抑制膜表面E. coli 和S. aureus的生長(zhǎng);明顯減緩FO膜生物污染

  文章鏈接:

  https://doi.org/10.1016/j.seppur.2015.08.034

  https://doi.org/10.1016/j.memsci.2016.09.045

  https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.8b04893

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