抗生素分離與藻酸鹽濃縮脫水正滲透試驗(yàn)研究
發(fā)布時(shí)間：2020-11-20 10:25
正滲透(FO)因運(yùn)行能耗低、膜污染小、效率高而近年引起廣泛關(guān)注,是一種僅依靠膜兩側(cè)滲透壓完成的水分子傳遞技術(shù)。基于去除污水中痕量抗生素、濃縮剩余污泥提取物(胞外聚合物,EPS)等問題,課題研究聚焦FO膜分離新的應(yīng)用領(lǐng)域�；谖墨I(xiàn)調(diào)研,梳理FO應(yīng)用研究方向,確定本研究聚焦FO同時(shí)去除多種藥物(高分子物質(zhì))混合分離,同時(shí)研究FO應(yīng)用于高值回收產(chǎn)物濃縮脫水的作用與性能。實(shí)驗(yàn)以環(huán)丙沙星(CIP)、磺胺甲惡唑(SMX)、撲熱息痛(ACP)和卡馬西平(CBZ)4種典型抗生素作為研究對(duì)象,探究FO分離過程抗生素間相互作用對(duì)去除率的影響。結(jié)果表明,FO滲水水通量下降的主要原因是驅(qū)動(dòng)劑稀釋所致,水通量只是滲透壓力的比例函數(shù),而藥物本身引起的膜污染和驅(qū)動(dòng)劑反向鹽通量并不明顯。對(duì)單一抗生素分離而言,分子篩作用對(duì)藥物截留率起主導(dǎo)作用,截留率隨著分子斯托克斯半徑增大而增大(斯托克斯半徑r=0.35~0.47 nm,截留率η=29.1~94.8%);而分離二組分抗生素時(shí),兩種電中性藥物(ACP與CBZ)截留率隨總分子數(shù)增加而降低(ACP=31.4~52.1%,CBZ=75.1~83.0%);帶負(fù)電藥物(SMX)與帶負(fù)電FO膜呈相互排斥作用,使抗生素截留率增加(CIP+ACPCIP+SMX,CIP=83.1~90.1%);帶正電藥物因中和膜表面帶負(fù)電,使得抗生素截留率增加(SMX+ACPSMX+CIP,SMX=85.7~80.4%);帶正電分子吸引帶負(fù)電分子,形成更大分子團(tuán),可增加抗生素截留率(pH=7~5,SMX=80.4~88.2%)�？梢�,除FO膜性質(zhì)和溶液環(huán)境外,藥物間相互作用在FO過程中不容忽視。以藻酸鈉作為研究對(duì)象,實(shí)驗(yàn)探究其FO分離濃縮行為。用CaCl_2作為驅(qū)動(dòng)劑,對(duì)原料液側(cè)藻酸鹽進(jìn)行FO濃縮脫水實(shí)驗(yàn),驅(qū)動(dòng)劑中鈣離子反向滲透后可與藻酸鹽形成藻酸鈣由于藻酸鹽能與高價(jià)金屬離子通過架橋作用相結(jié)合形成蛋殼結(jié)構(gòu),一方面原料液側(cè)藻酸鹽可進(jìn)行濃縮脫水,另一方面驅(qū)動(dòng)劑反向滲透溶質(zhì)與藻酸鹽形成的藻酸鈣可作為回收產(chǎn)物。為進(jìn)一步探究藻酸鹽FO濃縮特性,以NaCl作為驅(qū)動(dòng)劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示,改變膜朝向這一條件時(shí),水通量的下降主要由外濃差極化導(dǎo)致,膜朝向料液側(cè)水通量較高,則說明濃縮型濃差極化的影響大于稀釋型;NaCl濃度由1 M增至2 M時(shí)水通量明顯增大,但升至3 M時(shí)水通量增加變小,主要因汲取液稀釋、膜污染等原因大于滲透壓增加的影響;而藻酸鈉濃度變化對(duì)水通量影響并不顯著。
【學(xué)位單位】：北京建筑大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：
第1章緒論1第1章緒論1.1正滲透背景及發(fā)展正滲透（FO），是指水或溶劑在半透膜上的自發(fā)擴(kuò)散，水分子從滲透壓較低的一側(cè)向滲透壓較高的一側(cè)運(yùn)動(dòng)[1]，這種現(xiàn)象是化學(xué)物質(zhì)在活細(xì)胞和許多過程中轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)[3]。圖1-1為FO、反滲透（RO）和壓力延遲滲透（PRO）過程的比較。FO過程中，具有高滲透壓的溶液被稱為驅(qū)動(dòng)劑（汲取液），它提供了從原料液中提取水的驅(qū)動(dòng)力；在驅(qū)動(dòng)劑側(cè)施加壓力時(shí)，利用水流推動(dòng)外部渦輪獲得滲透能，稱為PRO；應(yīng)注意的是，所施加的壓力應(yīng)小于原料液與驅(qū)動(dòng)劑之間的滲透壓差；如果施加在驅(qū)動(dòng)劑側(cè)的壓力高于滲透壓差，則發(fā)生反滲透[4,5]。圖1-1FO、RO和PRO過程比較[2]Fig.1-1SchematicofFO,RO,andPROprocesses[2].1.1.1正滲透過程中的傳質(zhì)和膜特性（1）濃差極化通常，用溶液擴(kuò)散模型來描述FO過程中的溶質(zhì)傳輸機(jī)理。對(duì)于壓力驅(qū)動(dòng)的膜過程（如RO），在沒有外濃差極化（ECP）和鹽反向滲透的情況下，廣義通量方程為：=()（式1-1）其中，其中A為膜的純水滲透系數(shù)；P為跨膜壓力；為反射系數(shù)；為驅(qū)動(dòng)劑與原料液（純水）之間的滲透壓差。是膜對(duì)溶質(zhì)選擇性的量度，通常取值在0-1之間[6]，為簡(jiǎn)便起見，假設(shè)反射系數(shù)為1。式1-1僅在通量低或原料液很稀時(shí)有效，當(dāng)通量較大時(shí)，由于膜表面的溶質(zhì)濃度明顯高于原料液本身，因此在膜的原料液側(cè)會(huì)發(fā)生濃差極化，這種類型的濃差極化稱為外濃差極化（ECP）。
第1章緒論3圖1-2FO過程中膜結(jié)構(gòu)和方向的溶液濃度分布示意圖[2]Fig.1-2SchematicillustrationsofthesolutionconcentrationprofileswithrespecttomembranestructureandorientationinFOprocess[2]考慮到ECP和ICP對(duì)水通量的影響，將正滲透水通量的計(jì)算公式修正為：w=dDSmdt（1-3）其中，dDS為驅(qū)動(dòng)劑側(cè)增加的體積，m3；dt為變化的時(shí)間，s；m為正滲透膜的有效面積，m2。（2）膜特性的主要參數(shù)對(duì)于FO膜的表征，通量、膜的水滲透率、溶質(zhì)滲透率、溶質(zhì)反向滲透、結(jié)構(gòu)參數(shù)等具有重要意義，這些參數(shù)主要取決于膜結(jié)構(gòu)和溶質(zhì)類型[13]。盡管膜的水滲透率高才能得到高膜通量，但會(huì)導(dǎo)致膜的選擇性差，因此，適中的水滲透值為佳[14,15]。但水通量還取決于操作條件，包括驅(qū)動(dòng)劑濃度、原料液濃度、流向、溫度等，膜對(duì)溶質(zhì)的選擇性也依賴于料液和驅(qū)動(dòng)劑中離子的類型[16,17]。因此，為了比較不同膜的性能，對(duì)相似條件下的膜進(jìn)行表征是非常重要的。1.1.2驅(qū)動(dòng)劑的發(fā)展驅(qū)動(dòng)劑通常由水和驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)組成，主要是提供驅(qū)動(dòng)FO過程的滲透壓，因此溶液的滲透壓很重要。理想稀溶液的滲透壓（P）由van’tHoff’s方程[18]得出：=（1-4）其中，為van’tHoff’s因素，即溶液中溶解化合物的單個(gè)粒子所含離子數(shù)（例如，NaCl溶液的=2）；為滲透系數(shù)；為分子摩爾質(zhì)量；為理想氣體常數(shù)（=0.0820571Latmmol-1K-1）；為溶液的絕對(duì)K氏溫度。驅(qū)動(dòng)劑的選擇一直是FO工藝中的一個(gè)關(guān)鍵問題，選擇合適驅(qū)動(dòng)劑的法則是：1）產(chǎn)
第1章緒論3圖1-2FO過程中膜結(jié)構(gòu)和方向的溶液濃度分布示意圖[2]Fig.1-2SchematicillustrationsofthesolutionconcentrationprofileswithrespecttomembranestructureandorientationinFOprocess[2]考慮到ECP和ICP對(duì)水通量的影響，將正滲透水通量的計(jì)算公式修正為：w=dDSmdt（1-3）其中，dDS為驅(qū)動(dòng)劑側(cè)增加的體積，m3；dt為變化的時(shí)間，s；m為正滲透膜的有效面積，m2。（2）膜特性的主要參數(shù)對(duì)于FO膜的表征，通量、膜的水滲透率、溶質(zhì)滲透率、溶質(zhì)反向滲透、結(jié)構(gòu)參數(shù)等具有重要意義，這些參數(shù)主要取決于膜結(jié)構(gòu)和溶質(zhì)類型[13]。盡管膜的水滲透率高才能得到高膜通量，但會(huì)導(dǎo)致膜的選擇性差，因此，適中的水滲透值為佳[14,15]。但水通量還取決于操作條件，包括驅(qū)動(dòng)劑濃度、原料液濃度、流向、溫度等，膜對(duì)溶質(zhì)的選擇性也依賴于料液和驅(qū)動(dòng)劑中離子的類型[16,17]。因此，為了比較不同膜的性能，對(duì)相似條件下的膜進(jìn)行表征是非常重要的。1.1.2驅(qū)動(dòng)劑的發(fā)展驅(qū)動(dòng)劑通常由水和驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)組成，主要是提供驅(qū)動(dòng)FO過程的滲透壓，因此溶液的滲透壓很重要。理想稀溶液的滲透壓（P）由van’tHoff’s方程[18]得出：=（1-4）其中，為van’tHoff’s因素，即溶液中溶解化合物的單個(gè)粒子所含離子數(shù)（例如，NaCl溶液的=2）；為滲透系數(shù)；為分子摩爾質(zhì)量；為理想氣體常數(shù)（=0.0820571Latmmol-1K-1）；為溶液的絕對(duì)K氏溫度。驅(qū)動(dòng)劑的選擇一直是FO工藝中的一個(gè)關(guān)鍵問題，選擇合適驅(qū)動(dòng)劑的法則是：1）產(chǎn)
【參考文獻(xiàn)】
本文編號(hào)：2891280
【學(xué)位單位】：北京建筑大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：
第1章緒論1第1章緒論1.1正滲透背景及發(fā)展正滲透（FO），是指水或溶劑在半透膜上的自發(fā)擴(kuò)散，水分子從滲透壓較低的一側(cè)向滲透壓較高的一側(cè)運(yùn)動(dòng)[1]，這種現(xiàn)象是化學(xué)物質(zhì)在活細(xì)胞和許多過程中轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)[3]。圖1-1為FO、反滲透（RO）和壓力延遲滲透（PRO）過程的比較。FO過程中，具有高滲透壓的溶液被稱為驅(qū)動(dòng)劑（汲取液），它提供了從原料液中提取水的驅(qū)動(dòng)力；在驅(qū)動(dòng)劑側(cè)施加壓力時(shí)，利用水流推動(dòng)外部渦輪獲得滲透能，稱為PRO；應(yīng)注意的是，所施加的壓力應(yīng)小于原料液與驅(qū)動(dòng)劑之間的滲透壓差；如果施加在驅(qū)動(dòng)劑側(cè)的壓力高于滲透壓差，則發(fā)生反滲透[4,5]。圖1-1FO、RO和PRO過程比較[2]Fig.1-1SchematicofFO,RO,andPROprocesses[2].1.1.1正滲透過程中的傳質(zhì)和膜特性（1）濃差極化通常，用溶液擴(kuò)散模型來描述FO過程中的溶質(zhì)傳輸機(jī)理。對(duì)于壓力驅(qū)動(dòng)的膜過程（如RO），在沒有外濃差極化（ECP）和鹽反向滲透的情況下，廣義通量方程為：=()（式1-1）其中，其中A為膜的純水滲透系數(shù)；P為跨膜壓力；為反射系數(shù)；為驅(qū)動(dòng)劑與原料液（純水）之間的滲透壓差。是膜對(duì)溶質(zhì)選擇性的量度，通常取值在0-1之間[6]，為簡(jiǎn)便起見，假設(shè)反射系數(shù)為1。式1-1僅在通量低或原料液很稀時(shí)有效，當(dāng)通量較大時(shí)，由于膜表面的溶質(zhì)濃度明顯高于原料液本身，因此在膜的原料液側(cè)會(huì)發(fā)生濃差極化，這種類型的濃差極化稱為外濃差極化（ECP）。
第1章緒論3圖1-2FO過程中膜結(jié)構(gòu)和方向的溶液濃度分布示意圖[2]Fig.1-2SchematicillustrationsofthesolutionconcentrationprofileswithrespecttomembranestructureandorientationinFOprocess[2]考慮到ECP和ICP對(duì)水通量的影響，將正滲透水通量的計(jì)算公式修正為：w=dDSmdt（1-3）其中，dDS為驅(qū)動(dòng)劑側(cè)增加的體積，m3；dt為變化的時(shí)間，s；m為正滲透膜的有效面積，m2。（2）膜特性的主要參數(shù)對(duì)于FO膜的表征，通量、膜的水滲透率、溶質(zhì)滲透率、溶質(zhì)反向滲透、結(jié)構(gòu)參數(shù)等具有重要意義，這些參數(shù)主要取決于膜結(jié)構(gòu)和溶質(zhì)類型[13]。盡管膜的水滲透率高才能得到高膜通量，但會(huì)導(dǎo)致膜的選擇性差，因此，適中的水滲透值為佳[14,15]。但水通量還取決于操作條件，包括驅(qū)動(dòng)劑濃度、原料液濃度、流向、溫度等，膜對(duì)溶質(zhì)的選擇性也依賴于料液和驅(qū)動(dòng)劑中離子的類型[16,17]。因此，為了比較不同膜的性能，對(duì)相似條件下的膜進(jìn)行表征是非常重要的。1.1.2驅(qū)動(dòng)劑的發(fā)展驅(qū)動(dòng)劑通常由水和驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)組成，主要是提供驅(qū)動(dòng)FO過程的滲透壓，因此溶液的滲透壓很重要。理想稀溶液的滲透壓（P）由van’tHoff’s方程[18]得出：=（1-4）其中，為van’tHoff’s因素，即溶液中溶解化合物的單個(gè)粒子所含離子數(shù)（例如，NaCl溶液的=2）；為滲透系數(shù)；為分子摩爾質(zhì)量；為理想氣體常數(shù)（=0.0820571Latmmol-1K-1）；為溶液的絕對(duì)K氏溫度。驅(qū)動(dòng)劑的選擇一直是FO工藝中的一個(gè)關(guān)鍵問題，選擇合適驅(qū)動(dòng)劑的法則是：1）產(chǎn)
第1章緒論3圖1-2FO過程中膜結(jié)構(gòu)和方向的溶液濃度分布示意圖[2]Fig.1-2SchematicillustrationsofthesolutionconcentrationprofileswithrespecttomembranestructureandorientationinFOprocess[2]考慮到ECP和ICP對(duì)水通量的影響，將正滲透水通量的計(jì)算公式修正為：w=dDSmdt（1-3）其中，dDS為驅(qū)動(dòng)劑側(cè)增加的體積，m3；dt為變化的時(shí)間，s；m為正滲透膜的有效面積，m2。（2）膜特性的主要參數(shù)對(duì)于FO膜的表征，通量、膜的水滲透率、溶質(zhì)滲透率、溶質(zhì)反向滲透、結(jié)構(gòu)參數(shù)等具有重要意義，這些參數(shù)主要取決于膜結(jié)構(gòu)和溶質(zhì)類型[13]。盡管膜的水滲透率高才能得到高膜通量，但會(huì)導(dǎo)致膜的選擇性差，因此，適中的水滲透值為佳[14,15]。但水通量還取決于操作條件，包括驅(qū)動(dòng)劑濃度、原料液濃度、流向、溫度等，膜對(duì)溶質(zhì)的選擇性也依賴于料液和驅(qū)動(dòng)劑中離子的類型[16,17]。因此，為了比較不同膜的性能，對(duì)相似條件下的膜進(jìn)行表征是非常重要的。1.1.2驅(qū)動(dòng)劑的發(fā)展驅(qū)動(dòng)劑通常由水和驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)組成，主要是提供驅(qū)動(dòng)FO過程的滲透壓，因此溶液的滲透壓很重要。理想稀溶液的滲透壓（P）由van’tHoff’s方程[18]得出：=（1-4）其中，為van’tHoff’s因素，即溶液中溶解化合物的單個(gè)粒子所含離子數(shù)（例如，NaCl溶液的=2）；為滲透系數(shù)；為分子摩爾質(zhì)量；為理想氣體常數(shù)（=0.0820571Latmmol-1K-1）；為溶液的絕對(duì)K氏溫度。驅(qū)動(dòng)劑的選擇一直是FO工藝中的一個(gè)關(guān)鍵問題，選擇合適驅(qū)動(dòng)劑的法則是：1）產(chǎn)
【參考文獻(xiàn)】
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1 高從堦;鄭根江;汪錳;王鐸;高學(xué)理;周勇;;正滲透-水純化和脫鹽的新途徑[J];水處理技術(shù);2008年02期
2 于德賢,于德良,于萬波,李新培,韓彬;膜蒸餾海水淡化研究[J];膜科學(xué)與技術(shù);2002年01期
本文編號(hào)：2891280
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