Co_3O_4催化活化过一清洗超滤膜的效能与机理探索.pdfVIP

CoO催化活化过一硫酸盐体系化学清洗超滤膜的效能与机理探索

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摘要

超滤膜在水处理行业起着至关重要的作用，但膜污染的存在制约了超滤膜的实际应

用。预处理及膜材料改性虽能在一定程度上缓解膜污染，但随着时间的推移，污染也不

可避免地愈发严重。因此总是需要定期的清洗使超滤膜恢复渗透性能，物理清洗不涉及

化学反应，但清洗效果有限，传统的化学清洗方法需要将超滤膜长时间浸泡在膜清洗试

剂中，清洗效率差，并且会损坏超滤膜的结构，因此需要开发新型膜清洗技术。本研究

利用水热法合成了三种不同形貌的CoO纳米催化剂，分别是纳米棒（CoO-NR）、纳

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米片（CoO-NP）、纳米立方体（CoO-NC），并对过一硫酸盐（PMS）进行活化，开

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发了三种CoO/PMS膜清洗体系，以聚醚砜超滤膜（PES）和聚偏氟乙烯超滤膜（PVDF）

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为研究对象，研究了CoO/PMS体系对腐殖酸污染的膜的清洗效能及机理。筛选出清洗

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效能最佳的膜清洗体系，与传统膜清洗试剂进行对比，研究了对膜结构及性能的影响。

最后对海藻酸钠及天然河水造成的膜污染进行了进一步研究。

在三种CoO晶体中，主要暴露（110）晶面的CoO-NR拥有最多的表面氧空位

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（O）和低价态Co（Co2+），因此CoO-NR/PMS体系表现出最佳的膜清洗效能（腐

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殖酸污染），仅用15min就可使超滤膜的通量恢复至初始水平，并去除几乎全部不可逆

污染物。经过实验探索，最适清洗条件为：1.6g/L（CoO浓度）、2mM（PMS浓度）、

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5-9（pH）、15min（清洗时间）。三种膜清洗体系均能几乎全部清除污染物对膜表面的影

响，且不会改变膜表面特性（亲水性、粗糙度）。

1•-

CoO/PMS体系中，单线态氧（O）和超氧自由基（O）是起主要作用的氧化活

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1•-

性物种（ROSs），O和O将膜孔中大分子量、疏水性的腐殖酸降解为小分子量、亲水

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性的有机物，从而降低污染物与膜材料的粘合力，缓解了膜孔堵塞，使通量得到很好的

恢复。三种CoO均有良好的化学稳定性及可重复利用性，Co离子溶出量远低于排放

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标准。传统膜清洗药剂NaClO会断裂PES膜中的C-S键，生成氯化钠和苯磺酸钠，且

氯还可能会与苯环发生键合，形成氯代芳香化合物，导致膜孔结构改变，致使膜孔发生

变形、坍缩，从而影响超滤膜的性能。而CoO-NR/PMS体系没有对膜结构造成显著损

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伤。

当以海藻酸钠为污染物时，CoO-NR/PMS体系依然能保持非常优秀的膜清洗效能。

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清洗后PVDF超滤膜的归一化通量和不可逆膜污染阻力去除率分别为0.97和93%。几

乎全部去除海藻酸钠对膜的表面影响的同时也没有改变膜表面特性。Co