CN116750844B - 一种电场加膜法松散耦合化净水设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电场加膜法松散耦合化净水设备，属于净水技术领域，所述设备包括滤池，所述滤池设置有进水管和出水管，滤池内设置有滤膜，所述滤膜的侧分别设置有阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板与外电场连接，所述滤膜为以中空纤维膜为基底的聚砜改性滤膜，再通过树枝状聚酰胺大分子负载具有光效应的碳掺杂氯氧化铋纳米粒子，实现滤膜与电场的松散耦合化，其可在外加电场下或零外加电场下实现抗污染，同时具有高的膜通量。
Description
技术领域
本发明涉及净水技术领域，具体涉及一种电场加膜法松散耦合化净水设备。
背景技术
水净化处理技术通常包括化学技术、生物技术和物理技术等。传统的以化学技术为基础，以物质定向转化、资源绿色循环为目标的粗放式水处理技术已远不能满足实际需求，而以分离膜为代表的物理技术由于在分离、降解和回收等方面的独特功能，以及具有清洁、安全、易于设备化和智能化的特性，越来越多的受到本领域人员广泛关注，分离膜是一种具有分离作用的介质，当溶液与膜接触时，在压差、浓度差或电位差等驱动下，某些物质可以透过膜，而另一些物质则被拦截，使溶液与溶质被有效分离，而利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化等过程称为膜分离技术。
膜分离技术因不需试剂投加、分离效果好、绿色节能等优势，在环境领域特别是废水处理中具有广泛的应用，但一直以来被膜污染的问题所制约，传统膜工艺中小分子物质、有机污染物等在运行初期容易吸附、堵塞于膜孔，引发严重的膜污染。膜污染使其分离性能和渗透性能下降，具体可表现为通量剧减或渗透压陡增以及膜寿命的降低。目前膜污染的主要处理思路为在对膜进行改性，以及在膜污染发生后进行清洗，包括物理反冲洗和化学清洗。这些方法在一定程度上减轻了膜污染的副作用，但仍要花费额外的时间成本处理，且需要额外设备与化学试剂，对膜本身产生腐蚀或损伤，降低其使用寿命。若能在膜使用过程中减缓膜污染的发生，便可在不损害膜的前提下，延长膜的使用时间，增强其过滤性能，从而实现抗污染的效果。基于污染物表面的荷电性，电过滤作为一种原位抗污染的新思路被提出，其通过施加电场，利用静电力排斥的电泳效应实现抗污染，但电过滤需要在过滤的同时提供外电场连接装置，这将增大过滤净水设备的体积，限制了设备的应用场景。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种电场加膜法松散耦合化净水设备。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种电场加膜法松散耦合化净水设备，包括滤池，所述滤池设置有进水管和出水管，滤池内设置有滤膜，所述滤膜的侧分别设置有阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板与外电场连接，所述滤膜为以中空纤维膜为基底的改性滤膜，其制备方法包括以下步骤：
(1)改性导电基底膜制备
将聚砜干燥后溶解在有机溶剂中，得到聚砜溶液，加入多聚甲醛，充分搅拌混合后加入氯化锡，在50-60℃下保温搅拌1-30min后加入三甲基氯硅烷溶液，在保护气氛下搅拌反应6-12h，反应完成后离心去除不溶物，上清液加入沉淀剂沉淀，离心分离沉淀，洗涤、干燥制得氯甲基化产物，将所述氯甲基化产物溶解在有机溶剂中，加入氯化-2-羟基-3-(三甲氨基)丙基聚环氧乙烷纤维素醚，充分搅拌混合后加入N-甲基哌啶，在常温下搅拌反应1-2h后加入N,N,N',N'-四甲基-1,6-己二胺，再次混合均匀后制得混合溶液，将中空纤维膜浸入所述混合溶液中，取出辊压除去多余溶液，在70-80℃下热处理6-10h，冷却后将所述中空纤维膜依次以碱溶液和去离子水洗涤，干燥后制得所述改性导电基底膜；
(2)过渡层修饰
将聚酰胺-胺型树枝状高分子溶解在去离子水中，得到PAMAM溶液，将所述改性导电基底膜浸入所述PAMAM溶液中，取出辊压除去多余溶液，再浸入亚硝酸钠溶液中，取出辊压除去多余溶液，自然干燥后以去离子水洗涤，再次干燥后制得修饰滤膜；
(3)纳米粒子修饰
分别称取间苯三酚和硝酸铋并混合研磨至均，加入去离子水，超声混合至溶液透明，加入可溶性氯盐，滴加浓氨水调节溶液pH至10-11，将混合溶液转移至水热反应釜，在180-200℃下封闭反应20-24h，反应完成后冷却，分离沉淀，经洗涤干燥后在保护气氛下升温至400-500℃并保温1-4h，冷却后制得碳改性的氯氧化铋纳米粒子，将所述纳米粒子超声分散在去离子水中，加入聚乙二醇，得到分散液，将所述修饰滤膜进入所述分散液中，取出辊压除去多余溶液，干燥，得到纳米粒子修饰膜；
(4)稳定化后处理
将所述纳米粒子修饰膜依次浸入乙二胺的水溶液和对苯二甲酰氯的环己烷溶液中，再在60-100℃下保温热处理1-10min，制得所述滤膜。
在一些优选的实施方式中，所述中空纤维膜为PVC超滤膜，膜厚在1-3mm，孔径为10-1000nm。
在一些优选的实施方式中，所述聚砜与所述多聚甲醛、所述氯化锡、所述三甲基氯硅烷的质量比例为10：(3.2-3.5)：(0.16-0.2)：(30-32)；所述氯甲基化产物与所述氯化-2-羟基-3-(三甲氨基)丙基聚环氧乙烷纤维素醚、所述N-甲基哌啶、所述N,N,N',N'-四甲基-1,6-己二胺的质量比例为10：(2-2.5)：(5-5.6)：(2-2.2)。
在一些优选的实施方式中，所述PAMAM溶液的质量浓度在0.25-0.5wt％，所述亚硝酸钠溶液的质量浓度在0.4-3wt％。
在一些优选的实施方式中，所述间苯三酚与所述硝酸铋、所述可溶性氯盐的质量比例为(7.5-7.8)：10：(1.5-1.6)。
在一些优选的实施方式中，所述乙二胺的水溶液的质量浓度在0.8-1.4wt％，所述对苯二甲酰氯的环己烷溶液的质量浓度在0.6-1.2wt％。
在一些优选的实施方式中，所述外电场的电压值在0-50V。
在一些优选的实施方式中，所述阳极板与所述阴极板的板间距为1-20cm。
在一些优选的实施方式中，所述滤膜两侧的压差在1-50kPa。
本发明的有益效果为：
基于电过滤必须额外施加外电场及其连接装置而限制其应用场景的问题，本发明提供一种电场加膜法松散耦合化净水设备，通过对滤膜进行改性，实现滤膜与电场的松散耦合化，其可在外加电场下或零外加电场下实现抗污染，具体的，本发明以中空纤维膜为基底，以氯甲基化的聚砜为骨架，经季铵化后浸渍生成在所述基底上，制得导电基底，所述导电基底可以促进膜层中的电场不均匀度，使颗粒集中堆积在孔上方而不进入孔内，从而避免孔隙堵塞并形成疏松多孔的滤饼层，有助于提高膜通量，进一步的，本发明还通过以聚酰胺树枝大分子为过渡层在所述滤膜上引入碳掺杂的氯氧化铋纳米粒子，当导电滤膜的一侧施加可见光照射时，纳米粒子产生光致电荷分离使膜两侧的电位产生差异，形成一个横跨导电滤膜的自建电场，可避免外加电场，实现与电场的松散耦合，本发明所述滤膜可在不停工、不影响生产的条件下，有效解决水处理膜污染问题，膜通量高。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明所述净水设备的结构组成示意图。
附图标记：1、滤池；2-阴极板；3-阳极板；4-滤膜；5-进水管；6-出水管；7-电池。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种电场加膜法松散耦合化净水设备，参照附图1，所述净水设备包括滤池，所述滤池设置有进水管和出水管，滤池内设置有滤膜，所述滤膜的侧分别设置有阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板与外电场连接，所述外电场的电压值为9V，所述阳极板与所述阴极板的板间距为9cm，所述滤膜两侧的压差为20kPa；所述滤膜为以中空纤维膜为基底的改性滤膜，其制备方法包括以下步骤：
(1)改性导电基底膜制备
将聚砜(Mw＝35000)干燥后溶解在三氯甲烷中，得到聚砜溶液，加入多聚甲醛，充分搅拌混合后加入四氯化锡，在55℃下保温搅拌10min后加入三甲基氯硅烷的三氯甲烷溶液，在保护气氛下搅拌反应8h，反应完成后离心去除不溶物，上清液加入无水乙醇进行沉淀，离心分离沉淀，洗涤、干燥制得氯甲基化产物，将所述氯甲基化产物溶解在二甲亚砜中，加入氯化-2-羟基-3-(三甲氨基)丙基聚环氧乙烷纤维素醚，充分搅拌混合后加入N-甲基哌啶，在常温下搅拌反应1h后加入N,N,N',N'-四甲基-1,6-己二胺，再次混合均匀后制得混合溶液，将中空纤维膜浸入所述混合溶液中，浸渍时间10min，取出辊压除去多余溶液，在78℃下热处理6h，冷却后将所述中空纤维膜依次以0.1mol/L的氢氧化钠溶液和去离子水洗涤，干燥后制得所述改性导电基底膜；其中，
所述中空纤维膜为内压式PVC超滤膜，厚度1.2mm，通量40L/h，孔径0.1μm；
所述聚砜与所述多聚甲醛、所述四氯化锡、所述三甲基氯硅烷的质量比例为10：3.4：0.18：32；
所述氯甲基化产物与所述氯化-2-羟基-3-(三甲氨基)丙基聚环氧乙烷纤维素醚、所述N-甲基哌啶、所述N,N,N',N'-四甲基-1,6-己二胺的质量比例为10：2.4：5.2：2；
(2)过渡层修饰
将聚酰胺-胺型树枝状高分子(G4，CAS号：202009-64-1)溶解在去离子水中，得到质量浓度为0.4wt％的PAMAM溶液，将所述改性导电基底膜浸入所述PAMAM溶液中，浸渍时间15min，取出辊压除去多余溶液，再浸入质量浓度为1wt％的亚硝酸钠溶液中，浸渍时间4min，取出辊压除去多余溶液，自然干燥后以去离子水漂洗20min，再次干燥后制得修饰滤膜；
(3)纳米粒子修饰
分别称取间苯三酚和硝酸铋并混合研磨至均，加入去离子水，超声混合至溶液透明，加入氯化钾，滴加30wt％的浓氨水调节溶液pH至10-11，将混合溶液转移至水热反应釜，在190℃下封闭反应20h，反应完成后冷却，分离沉淀，经洗涤干燥后在保护气氛下升温至450℃并保温2h，冷却后制得碳改性的氯氧化铋纳米粒子，将所述纳米粒子超声分散在去离子水中，加入终浓度为0.5wt％的聚乙二醇(PEG-1000)，得到分散液，将所述修饰滤膜进入所述分散液中，取出辊压除去多余溶液，干燥，得到纳米粒子修饰膜；其中，
所述间苯三酚与所述硝酸铋、所述氯化钾的质量比例为7.6：10：1.5；
(4)稳定化后处理
将所述纳米粒子修饰膜依次浸入质量浓度为1wt％的乙二胺的水溶液和质量浓度为0.8wt％的对苯二甲酰氯的环己烷溶液中，浸渍时间分布为10min、4min，再在80℃下保温热处理5min，制得所述滤膜。
实施例2
一种电场加膜法松散耦合化净水设备，参照附图1，所述净水设备包括滤池，所述滤池设置有进水管和出水管，滤池内设置有滤膜，所述滤膜的侧分别设置有阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板与外电场连接，所述外电场的电压值为15V，所述阳极板与所述阴极板的板间距为9cm，所述滤膜两侧的压差为10kPa；所述滤膜为以中空纤维膜为基底的改性滤膜，其制备方法同实施例1，区别在于，步骤(1)所述改性导电基底膜替换为金属膜。
实施例3
一种电场加膜法松散耦合化净水设备，参照附图1，所述净水设备包括滤池，所述滤池设置有进水管和出水管，滤池内设置有滤膜，所述滤膜的侧分别设置有阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板与外电场连接，所述外电场的电压值为15V，所述阳极板与所述阴极板的板间距为9cm，所述滤膜两侧的压差为10kPa；所述滤膜为以中空纤维膜为基底的改性滤膜，其制备方法同实施例1，区别在于，所述外电场的电压值为0，所述滤膜的一侧置于太阳光下。
实施例4
一种电场加膜法松散耦合化净水设备，参照附图1，所述净水设备包括滤池，所述滤池设置有进水管和出水管，滤池内设置有滤膜，所述滤膜的侧分别设置有阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板与外电场连接，所述外电场的电压值为15V，所述阳极板与所述阴极板的板间距为9cm，所述滤膜两侧的压差为10kPa；所述滤膜为以中空纤维膜为基底的改性滤膜，其制备方法同实施例1，区别在于，步骤(3)不包括在保护气氛下升温至450℃下的热处理，同时所述外电场的电压值为0，所述滤膜的一侧置于太阳光下。
实施例5
一种电场加膜法松散耦合化净水设备，参照附图1，所述净水设备包括滤池，所述滤池设置有进水管和出水管，滤池内设置有滤膜，所述滤膜的侧分别设置有阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板与外电场连接，所述外电场的电压值为15V，所述阳极板与所述阴极板的板间距为9cm，所述滤膜两侧的压差为10kPa；所述滤膜为以中空纤维膜为基底的改性滤膜，其制备方法同实施例1，区别在于，不包含步骤(3)，同时所述外电场的电压值为0，所述滤膜的一侧置于太阳光下。
实验例
为结合本发明实施例的内容进一步说明本发明，申请人对实施例1-5所述滤膜的对几种模拟溶液的净化性能性能进行了检测，其中，模拟溶液Ⅰ为腐殖酸溶液，DOC含量50mg/L；模拟溶液Ⅱ为龙胆紫溶液，DOC含量50mg/L；模拟溶液Ⅲ为硫酸铜溶液，初始电导率400μS/cm；模拟溶液Ⅳ为500nm的二氧化硅胶体溶液，浓度1g/L；运行时间1h，模拟溶液Ⅰ、Ⅱ的去除率以可溶性有机碳的去除率表示，模拟溶液Ⅲ的去除率以电导率的降低百分比表示，模拟溶液Ⅳ的去除率以二氧化硅胶体浓度的降低百分比表示，通量余量以过滤后通量占初始通量的百分比表示，测定结果如下：
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种电场加膜法松散耦合化净水设备，其特征在于，包括滤池，所述滤池设置有进水管和出水管，滤池内设置有滤膜，所述滤膜的两侧分别设置有阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板与外电场连接，所述滤膜为以中空纤维膜为基底的改性滤膜，其制备方法包括以下步骤：
(1)改性导电基底膜制备
将聚砜干燥后溶解在有机溶剂中，得到聚砜溶液，加入多聚甲醛，充分搅拌混合后加入氯化锡，在50-60℃下保温搅拌1-30min后加入三甲基氯硅烷溶液，在保护气氛下搅拌反应6-12h，反应完成后离心去除不溶物，上清液加入沉淀剂沉淀，离心分离沉淀，洗涤、干燥制得氯甲基化产物，将所述氯甲基化产物溶解在有机溶剂中，加入氯化-2-羟基-3-(三甲氨基)丙基聚环氧乙烷纤维素醚，充分搅拌混合后加入N-甲基哌啶，在常温下搅拌反应1-2h后加入N,N,N',N'-四甲基-1,6-己二胺，再次混合均匀后制得混合溶液，将中空纤维膜浸入所述混合溶液中，取出辊压除去多余溶液，在70-80℃下热处理6-10h，冷却后将所述中空纤维膜依次以碱溶液和去离子水洗涤，干燥后制得所述改性导电基底膜；
(2)过渡层修饰
将聚酰胺-胺型树枝状高分子溶解在去离子水中，得到PAMAM溶液，将所述改性导电基底膜浸入所述PAMAM溶液中，取出辊压除去多余溶液，再浸入亚硝酸钠溶液中，取出辊压除去多余溶液，自然干燥后以去离子水洗涤，再次干燥后制得修饰滤膜；
(3)纳米粒子修饰
分别称取间苯三酚和硝酸铋并混合研磨至均，加入去离子水，超声混合至溶液透明，加入可溶性氯盐，滴加浓氨水调节溶液pH至10-11，将混合溶液转移至水热反应釜，在180-200℃下封闭反应20-24h，反应完成后冷却，分离沉淀，经洗涤干燥后在保护气氛下升温至400-500℃并保温1-4h，冷却后制得碳改性的氯氧化铋纳米粒子，将所述纳米粒子超声分散在去离子水中，加入聚乙二醇，得到分散液，将所述修饰滤膜浸入所述分散液中，取出辊压除去多余溶液，干燥，得到纳米粒子修饰膜；
(4)稳定化后处理
将所述纳米粒子修饰膜依次浸入乙二胺的水溶液和对苯二甲酰氯的环己烷溶液中，再在60-100℃下保温热处理1-10min，制得所述滤膜。
2.根据权利要求1所述的一种电场加膜法松散耦合化净水设备，其特征在于，所述中空纤维膜为PVC超滤膜，膜厚在1-3mm，孔径为10-1000nm。
3.根据权利要求1所述的一种电场加膜法松散耦合化净水设备，其特征在于，所述聚砜与所述多聚甲醛、所述氯化锡、所述三甲基氯硅烷的质量比例为10：(3.2-3.5)：(0.16-0.2)：(30-32)；所述氯甲基化产物与所述氯化-2-羟基-3-(三甲氨基)丙基聚环氧乙烷纤维素醚、所述N-甲基哌啶、所述N,N,N',N'-四甲基-1,6-己二胺的质量比例为10：(2-2.5)：(5-5.6)：(2-2.2)。
4.根据权利要求1所述的一种电场加膜法松散耦合化净水设备，其特征在于，所述PAMAM溶液的质量浓度在0.25-0.5wt％，所述亚硝酸钠溶液的质量浓度在0.4-3wt％。
5.根据权利要求1所述的一种电场加膜法松散耦合化净水设备，其特征在于，所述间苯三酚与所述硝酸铋、所述可溶性氯盐的质量比例为(7.5-7.8)：10：(1.5-1.6)。
6.根据权利要求1所述的一种电场加膜法松散耦合化净水设备，其特征在于，所述乙二胺的水溶液的质量浓度在0.8-1.4wt％，所述对苯二甲酰氯的环己烷溶液的质量浓度在0.6-1.2wt％。
7.根据权利要求1所述的一种电场加膜法松散耦合化净水设备，其特征在于，所述外电场的电压值在0-50V。
8.根据权利要求1所述的一种电场加膜法松散耦合化净水设备，其特征在于，所述阳极板与所述阴极板的板间距为1-20cm。
9.根据权利要求1所述的一种电场加膜法松散耦合化净水设备，其特征在于，所述滤膜两侧的压差在1-50kPa。
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