络合—超滤耦合新技术及过程模拟研究

论文摘要

本文研究聚电解质络合—超滤耦合新技术，采用聚丙烯酸钠选择性络合重金属离子，通过聚砜中空纤维超滤膜实现分离。在揭示金属离子及聚电解质溶液超滤行为的基础上，围绕络合体系截留特性、金属离子选择性分离、络合物解离等方面，系统探讨络合—超滤耦合过程的参数优化、反应动力学行为和数学模型，并考察在低浓度含铜线路板工业废水中的应用。 1、金属离子溶液超滤行为。在金属离子溶液超滤过程中，系统研究了超滤膜的电性能，并考察流动电位与膜渗透性、离子传递之间的相互关系。结果表明，在Na+或K+、ca2+或Mg2+、Al3+溶液中，膜等电点分别为2.9±0.1、3.5±0.1、3.8±0.1。在等电点处，膜渗透性达到最大值。金属离子截留系数随流动电位增大而增大。对重金属离子而言，膜对其亲和能力顺序为Hg2+＞Cu2+＞Cd2+。 2、聚电解质溶液超滤特性。考察操作参数对聚电解质超滤过程的影响，探讨聚电解质在超滤膜表面吸附机理，进而建立膜污染阻力模型。研究发现，当pH＜4.5时，聚电解质在膜表面吸附明显，导致膜通量显著降低。聚丙烯酸钠在膜表面吸附动力学符合拟二级速率方程，吸附等温线可采用Langmuir方程描述。在高pH及低pH值下，膜总阻力分别取决于膜自身阻力Rm和不可逆污染阻力Rf；而在整个pH范围内，可逆及不可逆浓差极化层阻力Rp，r、Rp，ir影响不大。 3、聚电解质络合—超滤耦合过程。研究络合反应动力学和聚电解质络合容量，优化耦合过程操作参数，并对两相模型予以修正。所得结论为，在优化的操作条件下，Hg2+、Cu2+和Cd2+络合平衡时间分别为25、40和50min，络合反应动力学符合拟一级速率方程，聚丙烯酸钠PAASS对Hg2+、Cu2+和Cd2+络合容量分别为1.0、0.05和0.033gmetal／g PAASS。对计算截留系数的两相模型进行多项修正后，模拟值与实验值能更好地吻合。 4、聚电解质络合—超滤耦合选择性分离金属离子。比较单一及混合金属离子溶液截留行为，优化操作参数，研究混合体系金属离子的选择性分离。结果表明，pH值和负载比LR对分离效果影响明显。在pH=5时，控制Hg2+和Cd2+混合体系LR=1.5，选择性分离系数S

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 超滤分离技术研究进展
• 1.1.1 超滤技术的基本概况
• 1.1.2 超滤过程中的膜污染及清洗
• 1.1.2.1 影响超滤膜污染的主要因素
• 1.1.2.2 超滤膜污染表征技术
• 1.1.2.3 超滤膜清洗技术及评价方法
• 1.1.3 超滤膜流动电位研究及应用
• 1.1.3.1 流动电位表征超滤膜的表面电性质
• 1.1.3.2 流动电位表征超滤膜的污染程度
• 1.1.3.3 流动电位表征超滤膜的清洗效果
• 1.1.4 超滤技术在废水处理中的应用
• 1.1.4.1 超滤技术在含油废水处理中的应用
• 1.1.4.2 超滤技术在生活污水处理中的应用
• 1.1.4.3 超滤技术在食品工业废水处理中的应用
• 1.1.4.4 超滤技术在纺织印染工业废水处理中的应用
• 1.1.4.5 超滤技术在其它废水处理中的应用
• 1.2 重金属废水处理方法的研究进展
• 1.2.1 重金属废水的传统处理方法
• 1.2.1.1 化学法
• 1.2.1.2 吸附法
• 1.2.1.3 电解法
• 1.2.1.4 离子树脂交换法
• 1.2.2 反渗透和纳滤技术在重金属废水处理中的应用
• 1.2.3 超滤技术在重金属废水处理中的应用
• 1.2.4 电渗析技术在重金属废水处理中的应用
• 1.2.5 液膜技术在重金属废水处理中的应用
• 1.3 膜技术与过程耦合的研究进展
• 1.3.1 膜与其它分离技术耦合
• 1.3.1.1 膜与汽化技术耦合
• 1.3.1.2 膜与萃取技术耦合
• 1.3.1.3 膜与结晶技术耦合
• 1.3.1.4 膜与超临界技术耦合
• 1.3.2 膜与反应过程耦合
• 1.3.2.1 分离膜反应器
• 1.3.2.2 催化膜反应器
• 1.4 聚电解质络合-超滤耦合技术在重金属废水处理中的应用
• 1.4.1 影响络合过程的主要因素
• 1.4.1.1 pH值的影响
• 1.4.1.2 金属离子/聚合物浓度比的影响
• 1.4.1.3 外加盐浓度的影响
• 1.4.2 影响超滤过程的主要因素
• 1.4.2.1 温度的影响
• 1.4.2.2 压差和料液流速的影响
• 1.4.2.3 聚电解质浓度的影响
• 1.4.3 影响聚合物再生过程的主要因素
• 1.4.4 近年来的研究概况
• 1.5 立题背景及意义
• 1.6 研究思路及内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 膜及膜组件
• 2.2 主要实验药品及仪器
• 2.2.1 主要实验药品
• 2.2.2 主要实验仪器
• 2.3 实验装置
• 2.4 分析方法
• 2.5 实验内容
• 2.5.1 超滤膜流动电位的测定
• 2.5.2 聚丙烯酸钠溶液超滤操作参数优化实验
• 2.5.3 聚丙烯酸钠在膜表面吸附量测定
• 2.5.4 膜污染阻力测定
• 2.5.5 聚丙烯酸钠溶液的预处理
• 2.5.6 聚电解质络合重金属离子-超滤耦合实验
• 2.5.7 重金属离子选择性分离实验
• 2.5.8 重金属离子-聚电解质络合物解离实验
• 2.5.9 低浓度含铜线路板工业废水实验
• 第三章 金属离子溶液超滤行为的研究
• 3.1 膜流动电位基本理论
• 3.2 压差对膜电位差的影响
• 3.3 pH值对流动电位、膜渗透性和离子传递的影响
• 3.3.1 pH值对流动电位的影响
• 3.3.2 pH值对膜渗透性的影响
• 3.3.3 pH值对金属离子截留系数的影响
• 3.3.4 pH值对△pH的影响
• 3.4 离子强度对流动电位、膜渗透性和离子传递的影响
• 3.4.1 离子强度对流动电位的影响
• 3.4.2 离子强度对膜渗透性的影响
• 3.4.3 离子强度对金属离子截留系数的影响
• 3.4.4 离子强度对△pH的影响
• 3.5 离子混合对流动电位、膜渗透性和离子传递的影响
• 3.6 重金属溶液体系的超滤特性
• 3.6.1 重金属离子溶液中膜等电点测定
• 3.6.2 pH值对重金属离子截留行为的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 聚电解质溶液超滤行为的研究
• 4.1 操作参数对聚丙烯酸钠溶液超滤过程的影响
• 4.1.1 pH值对膜稳定通量和截留系数的影响
• 4.1.2 操作压差对膜稳定通量和截留系数的影响
• 4.1.3 流量对膜稳定通量和截留系数的影响
• 4.1.4 浓度对膜稳定通量和截留系数的影响
• 4.1.5 温度对膜稳定通量和截留系数的影响
• 4.2 聚丙烯酸钠-超滤膜间吸附机理研究
• 4.2.1 聚丙烯酸钠在超滤膜表面的吸附
• 4.2.2 聚丙烯酸钠在超滤膜表面的吸附动力学
• 4.2.3 pH值对吸附量的影响
• 4.2.4 离子强度对吸附量的影响
• 4.2.5 聚丙烯酸钠在超滤膜表面吸附等温线
• 4.3 膜污染阻力模型
• 4.3.1 膜污染阻力模型的建立
• 4.3.2 操作参数对膜污染阻力的影响
• 4.3.2.1 pH值对膜污染阻力的影响
• 4.3.2.2 压差对膜污染阻力的影响
• 4.3.2.3 流量对膜污染阻力的影响
• 4.3.2.4 温度对膜污染阻力的影响
• 4.4 膜污染动力学
• 4.5 本章小结
• 第五章 聚电解质络合重金属离子-超滤耦合技术的研究
• 5.1 聚电解质络合重金属离子-超滤耦合技术的基本原理
• 5.2 聚电解质溶液的预处理
• 5.3 重金属离子-聚电解质络合反应动力学研究
• 5.4 聚电解质络合容量测定
• 5.5 操作参数对聚电解质络合-超滤耦合过程的影响
• 5.5.1 pH值对金属离子截留系数的影响
• 5.5.2 盐浓度对金属离子截留系数的影响
• 5.5.3 低分子量竞争络合剂对金属离子截留系数的影响
• 5.5.4 运行时间对膜通量的影响
• 5.5.5 pH值对膜通量的影响
• 5.5.6 操作压差对膜通量的影响
• 5.5.7 流量对膜通量的影响
• 5.6 聚电解质络合-超滤耦合技术的浓缩过程
• 5.7 聚电解质络合-超滤耦合过程中的数学模型
• 5.7.1 化学平衡模型
• 5.7.2 质量守恒模型
• 5.7.3 超滤截留模型
• 5.7.4 数学模型的求解
• 5.7.4.1 不溶性氢氧化物不存在
• 5.7.4.2 存在不溶性氢氧化物
• 5.7.5 数学模型的验证
• 5.8 本章小结
• 第六章 络合-超滤耦合技术选择性分离金属离子的研究
• 6.1 操作参数对两种金属离子选择性分离的影响
• 6.1.1 pH值对两种金属离子选择性分离的影响
• 6.1.2 负载比LR对两种金属离子选择性分离的影响
• 6.1.3 外加盐浓度对两种金属离子选择性分离的影响
• 6.1.4 竞争络合剂对两种金属离子选择性分离的影响
• 6.1.5 操作压差对两种金属离子选择性分离的影响
• 6.1.6 流量对两种金属离子选择性分离的影响
• 6.2 两种金属离子选择性分离过程
• 6.2.1 选择性分离浓缩过程
• 6.2.2 选择性分离洗涤及渗透液浓缩过程
• 6.3 操作参数对三种金属离子选择性分离的影响
• 6.3.1 pH值对三种金属离子选择性分离的影响
• 6.3.2 负载比LR对三种金属离子选择性分离的影响
• 6.4 三种金属离子选择性分离过程
• 6.5 本章小结
• 第七章 金属离子-聚电解质络合物解离过程研究
• 7.1 金属离子-聚电解质络合物的解离动力学
• 7.2 解离恒容超滤行为
• 7.3 解离超滤洗涤行为
• 7.4 聚电解质循环利用效果评价
• 7.5 解离状态膜污染阻力
• 7.6 解离状态膜清洗行为
• 7.7 流动电位表征解离状态膜清洗程度
• 7.8 本章小结
• 第八章 络合-超滤耦合技术处理低浓度工业废水的研究
• 8.1 线路板废水的类型及性质
• 8.2 低浓度含铜线路板废水现有处理工艺评价
• 8.3 聚电解质络合-超滤耦合技术恒容处理低浓度含铜线路板废水
• 8.4 聚电解质络合-超滤耦合技术浓缩低浓度含铜线路板废水
• 8.5 金属离子-聚电解质络合物解离及聚电解质循环利用
• 8.6 膜污染及清洗
• 8.7 本章小结
• 第九章 结论
• 9.1 研究结论
• 9.2 创新点
• 9.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻博期间的主要研究成果