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膜分离技术是利用选择性分离膜实现溶液分离、浓缩、纯化和精制等功能的新型分离技术,广泛用于废水处理、中水回用、海水淡化等领域。而现有单一材料的分离膜仍存在着低渗透性、低亲水性、高污染倾向等主要问题。为了改善这一问题,膜改性成为膜分离技术的研究热点。纤维素是自然界中分布最广、储量最丰富的一种天然可再生资源。纤维素经物理化学法处理后得到的纤维素纳米晶体(CNC),不仅具有天然纤维素的基本结构与特性,同时具备纳米材料的特性。作为亲水性纳米材料,CNC可用于改善分离膜的亲水性、渗透性和抗污染性。本论文利用纤维素纳米晶体与高分子有机膜共混制备复合膜,考察CNC对不同复合膜性能的影响。具体的研究内容如下:(1)通过相转化法制备纤维素纳米晶体/聚偏氟乙烯(CNC/PVDF)共混复合膜,考察不同CNC含量对CNC/PVDF复合膜性能的影响。结果表明,CNC的加入促进相转化过程中溶剂与非溶剂间的交换速率,使得指状大孔结构逐渐增多、变大,平均孔径由12.41 nm增大到31.42 nm,有利于提高复合膜的渗透性。相比于纯PVDF膜,随着CNC含量的增加,复合膜的渗透性呈增加的趋势,纯水通量由9.79 L/m2h增大到206.90 L/m2h。复合膜孔径增大,污染物易通过大孔透过膜,使得复合膜的截留率从83%下降到39%。CNC的加入有效改善CNC/PVDF复合膜的抗污染性,显著提高过滤牛血清蛋白溶液时的渗透通量和通量恢复率,同时降低复合膜的总膜阻力和不可逆污染倾向。通过对不同含量CNC/PVDF复合膜的渗透性、截留性和抗污染性的对比,10%含量的CNC/PVDF复合膜具有较优异的性能。(2)为进一步提高复合膜的抗污染性,以10%CNC含量的CNC/PVDF复合膜为基膜,添加氧化石墨烯纳米片(GO)、纳米氧化锌(ZnO)和十二烷基二甲基苄基氯化铵(DDBAC)进行改性。选择大肠杆菌、腐殖酸分别作为模型微生物和有机污染物,考察不同改性材料对CNC/PVDF复合膜的抗菌性和抗有机污染的影响。抗菌实验结果表明,膜的抗菌性效果:CNC/PVDF/GO改性膜>CNC/PVDF/ZnO改性膜>CNC/PVDF/DDBAC改性膜>CNC/PVDF复合膜,三种改性膜的抑菌率分别为72%、60%和49%,CNC/PVDF/GO改性膜具有高抗菌性,其抗菌性是膜应激效应和氧化应激效应的协同作用的结果。CNC/PVDF/GO改性膜具有优异的抗污染性,相比于CNC/PVDF复合膜,污染阻力和腐殖酸吸附分别降低65%和31%,其污染机理符合滤饼层过滤-完全堵塞结合模型。(3)构建PVDF膜、CNC/PVDF复合膜、CNC/PVDF/GO改性膜三种膜的微滤膜组件并应用于MBR体系中。在相同的运行条件下,CNC/PVDF复合膜的清洗周期为46天,相比于PVDF膜,延长1.8倍;CNC/PVDF/GO改性膜的清洗周期为74天,清洗周期是PVDF膜的2.8倍。CNC/PVDF/GO改性膜表现出优异的抗污染性,污染滤饼层仅为41.38 μm,比PVDF膜减小约61%;胞外聚合物含量为126.95 mg/g VSS,比PVDF膜减少约46%。CNC/PVDF/GO改性膜中的CNC和GO协同提高膜的亲水性,减少污染物的粘附、沉积,显著改善的抗污染性。(4)通过相转化法制备纤维素纳米晶体/醋酸纤维素(CNC/CDA)共混复合膜,考察不同CNC含量对CNC/CDA复合膜性能的影响。随着CNC含量的增加,纯水通量从7.21 L/m2h增大到173.77 L/m2h,增大约24倍。醋酸纤维素和纤维素纳米晶体具有相似的分子结构和化学性质,二者之间具有较高的相容性。CNC表面上曝露大量羟基基团,增加CNC/CDA复合膜的亲水性,而且CNC的加入促进相分离过程,形成大孔结构,提高渗透性。相比于纯CDA膜,CNC含量为10%时,CNC/CDA复合膜的抗污染性显著提高,BSA溶液的渗透通量增大约20倍,截留率显著提高,通量恢复率从74%增大到92%,牛血清蛋白吸附量从138.23 mg/m2减少到71.94 mg/m2,膜阻力显著下降。(5)为进一步提高渗透性,以10%CNC含量的CNC/CDA复合膜为支撑基膜,考察不同含量亲水性造孔剂聚乙二醇(PEG400)对支撑基膜性能的影响。随着PEG400含量的增加,支撑基膜的亲水性提高,孔隙率增加约17%,但机械性能下降28%。采用界面聚合法在支撑基膜表面形成聚酰胺分离活性层,制备得到CNC/CDA正渗透膜。相比于商业CTA正渗透膜,CNC/CDA正渗透膜的渗透性增加。去离子水作为原料液,1MNaCl溶液作为汲取液时,活性层朝向原料液时,CNC/CDA正渗透膜产生8.95 L/m2h水通量;活性层朝向汲取液时,产生13.46 L/m2h水通量,高于商业CTA膜的7.68 L/m2h和11.81 L/m2h。海藻酸钠为原料液时,CNC/CDA正渗透膜不仅具有高水通量,而且具有低通量损失趋势和低污染倾向。