CN106925119A - 聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，以浓度为0.05～0.5g/mL的聚环氧琥珀酸为汲取液，以苦碱水、海水、垃圾渗滤液、工业废水或生活污水作为原料液，FO‑TFC聚酰胺膜作为膜层，正渗透膜组件采用活性层朝向汲取液或活性层朝向原料液两种模式运行，以蠕动泵作为输送动力，错流速度为6～30cm/s，正渗透温度为20～50℃。本发明将聚环氧琥珀酸作为正渗透的汲取液用于处理苦碱水、海水、垃圾渗滤液、工业废水或生活污水取得的意想不到的效果。聚环氧琥珀酸结构单元上具有能电离的基团，可以在水中电离出大量的离子，因此可以产生相对较高的渗透压保证其高效的水通量。具有高分子量和延展结构的结构特点，因此可以减少反向溶质通量，并且方便回收利用。

Description

聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用
技术领域
本发明涉及聚环氧琥珀酸(PESA)作为汲取液在正渗透上的应用，属于环境污染控制工程技术领域。
背景技术
正渗透是近年来发展起来的一种新型膜分离技术，它是依靠半渗透膜两侧的渗透压差为驱动力自发实现水传递的膜分离过程，是目前膜技术领域研究的热点之一。正渗透具有低能耗、低膜污染和高截留率的优势，在许多领域如海水淡化、饮用水处理和废水处理中有很好的应用前景。
正渗透膜的制备和汲取液的选择是正渗透研究当中的两大核心技术，美国HTI公司已经研制出商品化的正渗透膜并表现出良好的性能，此外许多研究也致力于对现有的膜进行膜改性提高其性能，因此选择合适的汲取液就显得尤为重要。理想的汲取液需要具备以下特点：无毒无害、高渗透压、低反向溶质通量、便于回收利用以及与正渗透膜兼容。
科研工作者对于汲取液的研究工作从未停止过，传统的无机盐如氯化钠，可以产生高水通量，但是它过高的反向溶质通量以及复杂的回收过程增加其应用的成本；碳酸氢铵被认为是一种理想的汲取液，因为当温度达到60℃时它可以分解为二氧化碳和氨气，方便回收利用，但是残留在水体中的氨气难以去除影响水质口感；一些研究者发现磁性纳米颗粒也可以作为汲取液并且回收方法简单方便，但是在回收过程中纳米颗粒物易发生团聚，这是一个不容忽视的问题；有些科研工作者尝试用合成的环保型水凝胶作为汲取液，但是在实际操作过程中其水通量很小并且性质不稳定。
为了使正渗透技术更好的发展，急需寻找一种高效的汲取溶质。高分子聚合物电解质最近受到了很多科研工作者的关注，它们在水溶液中溶解性很好可以产生高渗透压，并且其高分子量和延展结构可以减少反向溶质通量，方便回收利用。聚丙烯酸钠和聚天冬氨酸最近被一些科研工作者证实具有较高的水通量、较小的反向溶质通量，并且可用纳滤反渗透等技术回收利用。由于高分子聚合物电解质具有的诸多优势，加上现有的传统正渗透驱动剂存在反向溶质通量高、回收利用困难的缺陷，因此对于高分子聚合物电解质作为正渗透汲取液还需要投入更多的研究工作，还需开发更多高效的汲取溶质。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，本发明以聚环氧琥珀酸作为正渗透汲取液，新型绿色环保，无毒无害且可以生物降解,高分子量和延展结构可以减少反向溶质通量，回收方便，处理后的聚环氧琥珀酸溶液可以直接回用到循环冷却***用来缓解***的结垢现象，避免了回收利用降低了能耗。
本发明的技术方案如下：
聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，聚环氧琥珀酸作为汲取液用以提高正渗透性能。
本发明优选的，在所述应用中，以浓度为0.05～0.5g/mL的聚环氧琥珀酸为汲取液，以苦碱水、海水、垃圾渗滤液、工业废水或生活污水作为原料液，FO-TFC聚酰胺膜作为膜层，正渗透膜组件采用活性层朝向汲取液或活性层朝向原料液两种模式运行，以蠕动泵作为输送动力，错流速度为6～30cm/s，正渗透温度为20～50℃。
本发明优选的，聚环氧琥珀酸的浓度为0.2～0.3g/mL，最为优选的，聚环氧琥珀酸的浓度为0.2g/mL。
本发明优选的，以苦碱水为原料液。
本发明优选的，膜取向选用正渗透膜的活性层朝向汲取液。
本发明优选的，错流速度为17～25cm/s，最为优选的，错流速度为17cm/s。
本发明优选的，正渗透温度为25～35℃，最为优选的，正渗透温度为35℃。
本发明优选的一个技术方案，聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，以浓度为0.1～0.2g/mL的聚环氧琥珀酸为汲取液，以苦碱水作为原料液，FO-TFC聚酰胺膜作为膜层，正渗透膜组件采用活性层朝向汲取液模式运行，以蠕动泵作为输送动力，错流速度为17～25cm/s，正渗透温度为25～35℃。
本发明最为优选的一个技术方案，聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，以浓度为0.2g/mL的聚环氧琥珀酸为汲取液，以苦碱水作为原料液，FO-TFC聚酰胺膜作为膜层，正渗透膜组件采用活性层朝向汲取液模式运行，以蠕动泵作为输送动力，错流速度为17cm/s，正渗透温度为35℃。
本发明所用原料及设备均为现有技术。
本发明的优点如下：
经过无数次实验证明，本发明将聚环氧琥珀酸作为正渗透的汲取液用于处理苦碱水、海水、垃圾渗滤液、工业废水或生活污水取得的意想不到的效果。聚环氧琥珀酸结构单元上具有能电离的基团，可以在水中电离出大量的离子，因此可以产生相对较高的渗透压保证其高效的水通量。与传统的汲取液相比，其具有高分子量和延展结构的结构特点，因此可以减少 反向溶质通量，并且方便回收利用。另外，聚环氧琥珀酸也是一种高效环保的缓蚀阻垢剂，因此经过稀释过后的汲取液也可以直接应用到循环冷却***，缓解冷却水***的结垢问题，省去了回收利用工序节约了工业成本。因此将聚环氧琥珀酸作为正渗透的汲取液具有很好的推广应用的前景。
附图说明
图1是PESA与NaCl、PASP的反向溶质通量和水通量比值的对比图
图2是用PESA作为汲取液处理苦咸水与的实验效果图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
FO-TFC聚酰胺膜来源于澳大利亚悉尼科技大学(UTS)。
实施例1
聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，以浓度为0.2g/mL的聚环氧琥珀酸为汲取液，以苦碱水作为原料液，FO-TFC聚酰胺膜作为膜层，正渗透膜组件采用活性层朝向汲取液模式运行，以蠕动泵作为输送动力，错流速度为17cm/s，正渗透温度为25℃。
实施例2
聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，以浓度为0.1g/mL的聚环氧琥珀酸为汲取液，以苦咸水作为原料液，FO-TFC聚酰胺膜作为膜层，正渗透膜组件采用活性层朝向原料液模式运行，以蠕动泵作为输送动力，错流速度为17cm/s，正渗透温度为35℃。
实施例3
聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，以浓度为0.2g/mL的聚环氧琥珀酸为汲取液，以海水作为原料液，FO-TFC聚酰胺膜作为膜层，正渗透膜组件采用活性层朝向汲取液模式运行，以蠕动泵作为输送动力，错流速度为25.5cm/s，正渗透温度为35℃。
实施例4
聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，以浓度为0.15g/mL的聚环氧琥珀酸为汲取液，以苦咸水作为原料液，FO-TFC聚酰胺膜作为膜层，正渗透膜组件采用活性层朝向汲取液模式运行，以蠕动泵作为输送动力，错流速度为17cm/s，正渗透温度为45℃。
对比实验例
为了验证本发明应用的效果，加以实验进一步说明。
本实验的实验装置和膜组件均从澳大利亚悉尼科技大学(UTS)购置。
实验过程中汲取液是PESA溶液。实验装置中的两个泵用来驱动原料液和汲取液在膜的两侧错流循环，控制实验过程的流速；水浴装置用来控制实验过程的温度；电子天平用来记录汲取液质量，每10秒记录一次数，计算机与高精度电子秤连接，通过对原料液重量的实时测量来计算正渗透过程水通量；同时，通过电导率仪实时测试原料液侧溶液电导率进而计算汲取液反向盐通量。
水通量和反向溶质通量的计算方法如下：
水通量：
其中，Jw—纯水通量，L·m-2·h-1(LMH)；
mt—t时刻汲取液的质量，g；
m0—汲取液的初始质量，g；
t—时间间隔，h；
Am—膜面积，2.002×10-3m2；
ρw—水的密度，kg/m3。
反向溶质通量：
其中，Js—汲取溶质的反向溶质通量，g·m-2·h-1(gMH)；
Ct—t时刻原液中汲取溶质的浓度，g/L；
C0—原液中汲取溶质的初始浓度，g/L；
V0—原液的初始体积，L；
t—时间间隔，h；
Am—膜面积，2.002×10-3m2；
Jw—纯水通量的测定值，L·m-2·h-1。
一、分别用NaCl、聚天冬氨酸(PASP)和聚环氧琥珀酸(PESA)作为汲取溶液，去离子水为原料液，在温度25℃和流速17cm/s条件下进行对比试验，膜取向选择将膜的活性层面向汲取液(PRO模式)和膜的活性层面向原料液(FO模式)两种膜取向，分别测定了三种汲取液对应的水通量和反向溶质通量。在正渗透研究当中有一个重要的指标就是反向溶质通量和水通量的比值(Js/Jw)，表示每渗透一升水流失到原料液中汲取溶质的质量，这个指标通常用来评价一种汲取液效果好坏，数值越小表明渗透一升水流失的汲取溶质质量少因此其效果越优良。实验结果表明，这三种驱动剂的水通量从大到小依次为：NaCl，PASP，PESA。反向溶质通量从大到小依次为：NaCl，PASP，PESA。反向溶质通量和水通量比值从小到大依次为：PESA，PASP，NaCl。PESA，PASP，NaCl的反向溶质通量和水通量比值的实验结果对比图见图1，由此可以证明PESA作为正渗透汲取液相对于PASP，NaCl具有更高的优势。
二、浓度对比：使用PESA为汲取溶液，去离子水为原料液，原料液和汲取液分别以17cm/s的流速在膜两侧循环，实验在25℃条件下进行，膜取向选择将膜的活性层面向汲取液(PRO模式)和膜的活性层面向原料液(FO模式)两种膜取向。汲取液PESA的浓度分别为0.05、0.75、0.1、0.125、0.15、0.2和0.3g/mL。实验结果表明，随着汲取液PESA浓 度的增加，实验过程的水通量和反向溶质通量也随之增加。综合考虑后选取汲取液浓度为0.2g/mL作为最佳实验浓度，在此浓度下反向溶质通量和水通量的比值1.6g/L，水通量为15.39867845LMH。
三、温度对比：使用PESA为汲取溶液，去离子水为原料液，原料液和汲取液分别以17cm/s的流速在膜两侧循环，膜取向选择将膜的活性层面向汲取液(PRO模式)和膜的活性层面向原料液(FO模式)两种膜取向，汲取液PESA的浓度为0.1g/mL。实验过程温度选择25、35和45℃。实验结果表明，当用PESA作为汲取液时，温度对水通量影响很大，随温度升高水通量增大，当温度从25℃到35℃时水通量增加尤其显著，当温度由35℃升高至45℃时水通量增加速度变缓。所以从能耗成本角度考虑后选取温度35℃为最佳实验条件，在此温度下水通量为16.7185101LMH。
四、错流速度对比：使用PESA为汲取溶液，去离子水为原料液，实验过程的温度在室温25℃条件下进行，膜取向选择将膜的活性层面向汲取液(PRO模式)和膜的活性层面向原料液(FO模式)两种膜取向，汲取液浓度为0.1g/mL。实验过程流速选择8.5、17和25.5cm/s三个流速。实验结果表明，当用PESA作为汲取液时，流速对于水通量的影响不显著，但是水通量会随着流速的增加有轻微的提升。25℃下0.1g/mL PESA作为汲取液在25.5cm/s流速下PRO模式下的水通量最高为12.27297499LMH。
五、使用PESA为汲取溶质，配置0.2g/mL的PESA汲取溶液，用苦咸水作为原料液，膜取向选用正渗透膜的活性层朝向汲取液的PRO模式，实验过程的温度为25℃，流速为17cm/s。实验结果表明，当用PESA作为汲取溶液时可以成功的将苦咸水回收利用，产生的水通量为6.102175223LMH，实验结果见图二。为了进一步证实实验的可重复性，在选用同一张正渗透膜的基础上进行了三组实验，第一组实验运行三小时后，将正渗透膜清洗一小时再进行下一组实验，同样运行三小时清洗膜一小时再进行最后一组实验。实验结果表明，清洗过后的膜还可以反复利用，第一次清洗膜过后水通量可以恢复到最初水通量的96％，第二次清洗膜过后水通量可以恢复到最初水通量的93％。由此，进一步说明用PESA作为汲取液通过正渗透***可以将苦咸水深度处理利用，效果良好实验可行。

Claims (9)

1.聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，聚环氧琥珀酸作为汲取液用以提高正渗透性能。
2.根据权利要求1所述的聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，其特征在于，在所述应用中，以浓度为0.05～0.5g/mL的聚环氧琥珀酸为汲取液，以苦碱水、海水、垃圾渗滤液、工业废水或生活污水作为原料液，FO-TFC聚酰胺膜作为膜层，正渗透膜组件采用活性层朝向汲取液或活性层朝向原料液两种模式运行，以蠕动泵作为输送动力，错流速度为6～30cm/s，正渗透温度为20～50℃。
3.根据权利要求1所述的聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，其特征在于，聚环氧琥珀酸的浓度为0.2～0.3g/mL，最为优选的，聚环氧琥珀酸的浓度为0.2g/mL。
4.根据权利要求1所述的聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，其特征在于，以苦碱水为原料液。
5.根据权利要求1所述的聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，其特征在于，膜取向选用正渗透膜的活性层朝向汲取液。
6.根据权利要求1所述的聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，其特征在于，错流速度为17～25cm/s，最为优选的，错流速度为17cm/s。
7.根据权利要求1所述的聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，其特征在于，正渗透温度为25～35℃，最为优选的，正渗透温度为35℃。
8.聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，其特征在于，聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，以浓度为0.1～0.2g/mL的聚环氧琥珀酸为汲取液，以苦碱水作为原料液，FO-TFC聚酰胺膜作为膜层，正渗透膜组件采用活性层朝向汲取液模式运行，以蠕动泵作为输送动力，错流速度为17～25cm/s，正渗透温度为25～35℃。
9.聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，其特征在于，聚环氧琥珀酸作为汲取液在正渗透上的应用，以浓度为0.2g/mL的聚环氧琥珀酸为汲取液，以苦碱水作为原料液，FO-TFC聚酰胺膜作为膜层，正渗透膜组件采用活性层朝向汲取液模式运行，以蠕动泵作为输送动力，错流速度为17cm/s，正渗透温度为35℃。
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