论文部分内容阅读
近年来,全氟化合物(Perfluorochemicals,PFCs)被发现较广泛地分布于自然界中,由于其对动物和人类健康的潜在威胁而引起较多关注。由于全氟化合物的化学稳定性,传统污水厂的生化处理方法难以将其有效去除。纳滤膜技术由于其突出的截留效能,被应用于水中全氟化合物的去除。然而,由于纳滤过程中PFCs-膜间相互作用仍不明确,导致PFCs在过滤过程中存在去除率不稳定、膜污染等问题。本文在动态错流过滤、静态吸附PFCs等条件下研究了PFCs的过滤去除机制,对吸附、截留等过程进行定量化分析,并在量子计算理论层面模拟纳滤截留过程,揭示纳滤过程中PFCs-纳滤膜相互作用。本文研究了致密型纳滤膜(NF90)和疏松型纳滤膜(NFG)对6种典型PFCs的动态截留效果,在相同通量下与PFCs的粒度排阻理论去除率进行对比分析,确定粒度排阻、吸附等膜-PFCs相互作用。通过电性分析、过滤机制定量化、成键分析等对PFCs纳滤过滤机制进行研究。结果表明2种纳滤膜对6种PFCs的去除率存在显著差异,即粒度排阻、静电斥力、疏水作用、氢键作用等对PFCs的去除贡献率占比不同。通过作用机制定量化发现,NF90膜去除PFCs过程中静电作用和疏水作用对PFCs的去除贡献较小,均低于10%;而NFG膜去除PFCs时两者的贡献均较高。对膜表面不施加垂直方向的跨膜压差,研究静态吸附PFCs效果及其吸附机制,并分析了pH、钙离子、腐殖酸(HA)对全氟辛烷磺酸(PFOS)去除率的影响。通过微观形态学表征等方法观测膜表面形态,分析了膜污染行为。结果表明,由于孔径和膜表面电荷分布,具有较大孔径的NFG膜吸附效果远大于NF90。在膜污染过程中,PFCs单独存在时,疏水作用、静电斥力和化学成键共同作用,而当共存Ca2+和HA时,PFCs表面的电荷会发生改变,进而影响PFCs和膜表面的静电斥力。最后,在量子化学计算基础上,采用密度泛函理论方法(DFT)对NF90膜表面聚酰胺(Polyamide,PA)层和6种PFCs初始结构进行构建与结构优化,考察了不同膜表面和PFCs的结合点位、溶剂环境与结合产物结构,确定了PFCs与膜表面的吸附机制,从能量的角度和结合产物结构等角度揭示了吸附行为机制,表明PFCs与膜主要是以疏水作用为主,伴随氢键、静电排斥作用的物理吸附作用。