抗生素分离与藻酸盐浓缩脱水正渗透试验研究
发布时间：2020-11-20 10:25
正渗透(FO)因运行能耗低、膜污染小、效率高而近年引起广泛关注,是一种仅依靠膜两侧渗透压完成的水分子传递技术。基于去除污水中痕量抗生素、浓缩剩余污泥提取物(胞外聚合物,EPS)等问题,课题研究聚焦FO膜分离新的应用领域。基于文献调研,梳理FO应用研究方向,确定本研究聚焦FO同时去除多种药物(高分子物质)混合分离,同时研究FO应用于高值回收产物浓缩脱水的作用与性能。实验以环丙沙星(CIP)、磺胺甲恶唑(SMX)、扑热息痛(ACP)和卡马西平(CBZ)4种典型抗生素作为研究对象,探究FO分离过程抗生素间相互作用对去除率的影响。结果表明,FO渗水水通量下降的主要原因是驱动剂稀释所致,水通量只是渗透压力的比例函数,而药物本身引起的膜污染和驱动剂反向盐通量并不明显。对单一抗生素分离而言,分子筛作用对药物截留率起主导作用,截留率随着分子斯托克斯半径增大而增大(斯托克斯半径r=0.35~0.47 nm,截留率η=29.1~94.8%);而分离二组分抗生素时,两种电中性药物(ACP与CBZ)截留率随总分子数增加而降低(ACP=31.4~52.1%,CBZ=75.1~83.0%);带负电药物(SMX)与带负电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%);带正电药物因中和膜表面带负电,使得抗生素截留率增加(SMX+ACPSMX+CIP,SMX=85.7~80.4%);带正电分子吸引带负电分子,形成更大分子团,可增加抗生素截留率(pH=7~5,SMX=80.4~88.2%)。可见,除FO膜性质和溶液环境外,药物间相互作用在FO过程中不容忽视。以藻酸钠作为研究对象,实验探究其FO分离浓缩行为。用CaCl_2作为驱动剂,对原料液侧藻酸盐进行FO浓缩脱水实验,驱动剂中钙离子反向渗透后可与藻酸盐形成藻酸钙由于藻酸盐能与高价金属离子通过架桥作用相结合形成蛋壳结构,一方面原料液侧藻酸盐可进行浓缩脱水,另一方面驱动剂反向渗透溶质与藻酸盐形成的藻酸钙可作为回收产物。为进一步探究藻酸盐FO浓缩特性,以NaCl作为驱动剂进行实验。结果显示,改变膜朝向这一条件时,水通量的下降主要由外浓差极化导致,膜朝向料液侧水通量较高,则说明浓缩型浓差极化的影响大于稀释型;NaCl浓度由1 M增至2 M时水通量明显增大,但升至3 M时水通量增加变小,主要因汲取液稀释、膜污染等原因大于渗透压增加的影响;而藻酸钠浓度变化对水通量影响并不显著。
【学位单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：X703
【部分图文】：
第1章绪论1第1章绪论1.1正渗透背景及发展正渗透（FO），是指水或溶剂在半透膜上的自发扩散，水分子从渗透压较低的一侧向渗透压较高的一侧运动[1]，这种现象是化学物质在活细胞和许多过程中转移的基础[3]。图1-1为FO、反渗透（RO）和压力延迟渗透（PRO）过程的比较。FO过程中，具有高渗透压的溶液被称为驱动剂（汲取液），它提供了从原料液中提取水的驱动力；在驱动剂侧施加压力时，利用水流推动外部涡轮获得渗透能，称为PRO；应注意的是，所施加的压力应小于原料液与驱动剂之间的渗透压差；如果施加在驱动剂侧的压力高于渗透压差，则发生反渗透[4,5]。图1-1FO、RO和PRO过程比较[2]Fig.1-1SchematicofFO,RO,andPROprocesses[2].1.1.1正渗透过程中的传质和膜特性（1）浓差极化通常，用溶液扩散模型来描述FO过程中的溶质传输机理。对于压力驱动的膜过程（如RO），在没有外浓差极化（ECP）和盐反向渗透的情况下，广义通量方程为：=()（式1-1）其中，其中A为膜的纯水渗透系数；P为跨膜压力；为反射系数；为驱动剂与原料液（纯水）之间的渗透压差。是膜对溶质选择性的量度，通常取值在0-1之间[6]，为简便起见，假设反射系数为1。式1-1仅在通量低或原料液很稀时有效，当通量较大时，由于膜表面的溶质浓度明显高于原料液本身，因此在膜的原料液侧会发生浓差极化，这种类型的浓差极化称为外浓差极化（ECP）。
第1章绪论3图1-2FO过程中膜结构和方向的溶液浓度分布示意图[2]Fig.1-2SchematicillustrationsofthesolutionconcentrationprofileswithrespecttomembranestructureandorientationinFOprocess[2]考虑到ECP和ICP对水通量的影响，将正渗透水通量的计算公式修正为：w=dDSmdt（1-3）其中，dDS为驱动剂侧增加的体积，m3；dt为变化的时间，s；m为正渗透膜的有效面积，m2。（2）膜特性的主要参数对于FO膜的表征，通量、膜的水渗透率、溶质渗透率、溶质反向渗透、结构参数等具有重要意义，这些参数主要取决于膜结构和溶质类型[13]。尽管膜的水渗透率高才能得到高膜通量，但会导致膜的选择性差，因此，适中的水渗透值为佳[14,15]。但水通量还取决于操作条件，包括驱动剂浓度、原料液浓度、流向、温度等，膜对溶质的选择性也依赖于料液和驱动剂中离子的类型[16,17]。因此，为了比较不同膜的性能，对相似条件下的膜进行表征是非常重要的。1.1.2驱动剂的发展驱动剂通常由水和驱动溶质组成，主要是提供驱动FO过程的渗透压，因此溶液的渗透压很重要。理想稀溶液的渗透压（P）由van’tHoff’s方程[18]得出：=（1-4）其中，为van’tHoff’s因素，即溶液中溶解化合物的单个粒子所含离子数（例如，NaCl溶液的=2）；为渗透系数；为分子摩尔质量；为理想气体常数（=0.0820571Latmmol-1K-1）；为溶液的绝对K氏温度。驱动剂的选择一直是FO工艺中的一个关键问题，选择合适驱动剂的法则是：1）产
第1章绪论3图1-2FO过程中膜结构和方向的溶液浓度分布示意图[2]Fig.1-2SchematicillustrationsofthesolutionconcentrationprofileswithrespecttomembranestructureandorientationinFOprocess[2]考虑到ECP和ICP对水通量的影响，将正渗透水通量的计算公式修正为：w=dDSmdt（1-3）其中，dDS为驱动剂侧增加的体积，m3；dt为变化的时间，s；m为正渗透膜的有效面积，m2。（2）膜特性的主要参数对于FO膜的表征，通量、膜的水渗透率、溶质渗透率、溶质反向渗透、结构参数等具有重要意义，这些参数主要取决于膜结构和溶质类型[13]。尽管膜的水渗透率高才能得到高膜通量，但会导致膜的选择性差，因此，适中的水渗透值为佳[14,15]。但水通量还取决于操作条件，包括驱动剂浓度、原料液浓度、流向、温度等，膜对溶质的选择性也依赖于料液和驱动剂中离子的类型[16,17]。因此，为了比较不同膜的性能，对相似条件下的膜进行表征是非常重要的。1.1.2驱动剂的发展驱动剂通常由水和驱动溶质组成，主要是提供驱动FO过程的渗透压，因此溶液的渗透压很重要。理想稀溶液的渗透压（P）由van’tHoff’s方程[18]得出：=（1-4）其中，为van’tHoff’s因素，即溶液中溶解化合物的单个粒子所含离子数（例如，NaCl溶液的=2）；为渗透系数；为分子摩尔质量；为理想气体常数（=0.0820571Latmmol-1K-1）；为溶液的绝对K氏温度。驱动剂的选择一直是FO工艺中的一个关键问题，选择合适驱动剂的法则是：1）产
【参考文献】
本文编号：2891280
【学位单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：X703
【部分图文】：
第1章绪论1第1章绪论1.1正渗透背景及发展正渗透（FO），是指水或溶剂在半透膜上的自发扩散，水分子从渗透压较低的一侧向渗透压较高的一侧运动[1]，这种现象是化学物质在活细胞和许多过程中转移的基础[3]。图1-1为FO、反渗透（RO）和压力延迟渗透（PRO）过程的比较。FO过程中，具有高渗透压的溶液被称为驱动剂（汲取液），它提供了从原料液中提取水的驱动力；在驱动剂侧施加压力时，利用水流推动外部涡轮获得渗透能，称为PRO；应注意的是，所施加的压力应小于原料液与驱动剂之间的渗透压差；如果施加在驱动剂侧的压力高于渗透压差，则发生反渗透[4,5]。图1-1FO、RO和PRO过程比较[2]Fig.1-1SchematicofFO,RO,andPROprocesses[2].1.1.1正渗透过程中的传质和膜特性（1）浓差极化通常，用溶液扩散模型来描述FO过程中的溶质传输机理。对于压力驱动的膜过程（如RO），在没有外浓差极化（ECP）和盐反向渗透的情况下，广义通量方程为：=()（式1-1）其中，其中A为膜的纯水渗透系数；P为跨膜压力；为反射系数；为驱动剂与原料液（纯水）之间的渗透压差。是膜对溶质选择性的量度，通常取值在0-1之间[6]，为简便起见，假设反射系数为1。式1-1仅在通量低或原料液很稀时有效，当通量较大时，由于膜表面的溶质浓度明显高于原料液本身，因此在膜的原料液侧会发生浓差极化，这种类型的浓差极化称为外浓差极化（ECP）。
第1章绪论3图1-2FO过程中膜结构和方向的溶液浓度分布示意图[2]Fig.1-2SchematicillustrationsofthesolutionconcentrationprofileswithrespecttomembranestructureandorientationinFOprocess[2]考虑到ECP和ICP对水通量的影响，将正渗透水通量的计算公式修正为：w=dDSmdt（1-3）其中，dDS为驱动剂侧增加的体积，m3；dt为变化的时间，s；m为正渗透膜的有效面积，m2。（2）膜特性的主要参数对于FO膜的表征，通量、膜的水渗透率、溶质渗透率、溶质反向渗透、结构参数等具有重要意义，这些参数主要取决于膜结构和溶质类型[13]。尽管膜的水渗透率高才能得到高膜通量，但会导致膜的选择性差，因此，适中的水渗透值为佳[14,15]。但水通量还取决于操作条件，包括驱动剂浓度、原料液浓度、流向、温度等，膜对溶质的选择性也依赖于料液和驱动剂中离子的类型[16,17]。因此，为了比较不同膜的性能，对相似条件下的膜进行表征是非常重要的。1.1.2驱动剂的发展驱动剂通常由水和驱动溶质组成，主要是提供驱动FO过程的渗透压，因此溶液的渗透压很重要。理想稀溶液的渗透压（P）由van’tHoff’s方程[18]得出：=（1-4）其中，为van’tHoff’s因素，即溶液中溶解化合物的单个粒子所含离子数（例如，NaCl溶液的=2）；为渗透系数；为分子摩尔质量；为理想气体常数（=0.0820571Latmmol-1K-1）；为溶液的绝对K氏温度。驱动剂的选择一直是FO工艺中的一个关键问题，选择合适驱动剂的法则是：1）产
第1章绪论3图1-2FO过程中膜结构和方向的溶液浓度分布示意图[2]Fig.1-2SchematicillustrationsofthesolutionconcentrationprofileswithrespecttomembranestructureandorientationinFOprocess[2]考虑到ECP和ICP对水通量的影响，将正渗透水通量的计算公式修正为：w=dDSmdt（1-3）其中，dDS为驱动剂侧增加的体积，m3；dt为变化的时间，s；m为正渗透膜的有效面积，m2。（2）膜特性的主要参数对于FO膜的表征，通量、膜的水渗透率、溶质渗透率、溶质反向渗透、结构参数等具有重要意义，这些参数主要取决于膜结构和溶质类型[13]。尽管膜的水渗透率高才能得到高膜通量，但会导致膜的选择性差，因此，适中的水渗透值为佳[14,15]。但水通量还取决于操作条件，包括驱动剂浓度、原料液浓度、流向、温度等，膜对溶质的选择性也依赖于料液和驱动剂中离子的类型[16,17]。因此，为了比较不同膜的性能，对相似条件下的膜进行表征是非常重要的。1.1.2驱动剂的发展驱动剂通常由水和驱动溶质组成，主要是提供驱动FO过程的渗透压，因此溶液的渗透压很重要。理想稀溶液的渗透压（P）由van’tHoff’s方程[18]得出：=（1-4）其中，为van’tHoff’s因素，即溶液中溶解化合物的单个粒子所含离子数（例如，NaCl溶液的=2）；为渗透系数；为分子摩尔质量；为理想气体常数（=0.0820571Latmmol-1K-1）；为溶液的绝对K氏温度。驱动剂的选择一直是FO工艺中的一个关键问题，选择合适驱动剂的法则是：1）产
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 高从堦;郑根江;汪锰;王铎;高学理;周勇;;正渗透-水纯化和脱盐的新途径[J];水处理技术;2008年02期
2 于德贤,于德良,于万波,李新培,韩彬;膜蒸馏海水淡化研究[J];膜科学与技术;2002年01期
本文编号：2891280
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/boshibiyelunwen/2891280.html
