抗生素分離與藻酸鹽濃縮脫水正滲透試驗研究
發(fā)布時間：2020-11-20 10:25
正滲透(FO)因運行能耗低、膜污染小、效率高而近年引起廣泛關注,是一種僅依靠膜兩側滲透壓完成的水分子傳遞技術�；谌コ鬯泻哿靠股亍饪s剩余污泥提取物(胞外聚合物,EPS)等問題,課題研究聚焦FO膜分離新的應用領域�；谖墨I調研,梳理FO應用研究方向,確定本研究聚焦FO同時去除多種藥物(高分子物質)混合分離,同時研究FO應用于高值回收產物濃縮脫水的作用與性能。實驗以環(huán)丙沙星(CIP)、磺胺甲惡唑(SMX)、撲熱息痛(ACP)和卡馬西平(CBZ)4種典型抗生素作為研究對象,探究FO分離過程抗生素間相互作用對去除率的影響。結果表明,FO滲水水通量下降的主要原因是驅動劑稀釋所致,水通量只是滲透壓力的比例函數(shù),而藥物本身引起的膜污染和驅動劑反向鹽通量并不明顯。對單一抗生素分離而言,分子篩作用對藥物截留率起主導作用,截留率隨著分子斯托克斯半徑增大而增大(斯托克斯半徑r=0.35~0.47 nm,截留率η=29.1~94.8%);而分離二組分抗生素時,兩種電中性藥物(ACP與CBZ)截留率隨總分子數(shù)增加而降低(ACP=31.4~52.1%,CBZ=75.1~83.0%);帶負電藥物(SMX)與帶負電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%);帶正電藥物因中和膜表面帶負電,使得抗生素截留率增加(SMX+ACPSMX+CIP,SMX=85.7~80.4%);帶正電分子吸引帶負電分子,形成更大分子團,可增加抗生素截留率(pH=7~5,SMX=80.4~88.2%)�？梢�,除FO膜性質和溶液環(huán)境外,藥物間相互作用在FO過程中不容忽視。以藻酸鈉作為研究對象,實驗探究其FO分離濃縮行為。用CaCl_2作為驅動劑,對原料液側藻酸鹽進行FO濃縮脫水實驗,驅動劑中鈣離子反向滲透后可與藻酸鹽形成藻酸鈣由于藻酸鹽能與高價金屬離子通過架橋作用相結合形成蛋殼結構,一方面原料液側藻酸鹽可進行濃縮脫水,另一方面驅動劑反向滲透溶質與藻酸鹽形成的藻酸鈣可作為回收產物。為進一步探究藻酸鹽FO濃縮特性,以NaCl作為驅動劑進行實驗。結果顯示,改變膜朝向這一條件時,水通量的下降主要由外濃差極化導致,膜朝向料液側水通量較高,則說明濃縮型濃差極化的影響大于稀釋型;NaCl濃度由1 M增至2 M時水通量明顯增大,但升至3 M時水通量增加變小,主要因汲取液稀釋、膜污染等原因大于滲透壓增加的影響;而藻酸鈉濃度變化對水通量影響并不顯著。
【學位單位】：北京建筑大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：
第1章緒論1第1章緒論1.1正滲透背景及發(fā)展正滲透（FO），是指水或溶劑在半透膜上的自發(fā)擴散，水分子從滲透壓較低的一側向滲透壓較高的一側運動[1]，這種現(xiàn)象是化學物質在活細胞和許多過程中轉移的基礎[3]。圖1-1為FO、反滲透（RO）和壓力延遲滲透（PRO）過程的比較。FO過程中，具有高滲透壓的溶液被稱為驅動劑（汲取液），它提供了從原料液中提取水的驅動力；在驅動劑側施加壓力時，利用水流推動外部渦輪獲得滲透能，稱為PRO；應注意的是，所施加的壓力應小于原料液與驅動劑之間的滲透壓差；如果施加在驅動劑側的壓力高于滲透壓差，則發(fā)生反滲透[4,5]。圖1-1FO、RO和PRO過程比較[2]Fig.1-1SchematicofFO,RO,andPROprocesses[2].1.1.1正滲透過程中的傳質和膜特性（1）濃差極化通常，用溶液擴散模型來描述FO過程中的溶質傳輸機理。對于壓力驅動的膜過程（如RO），在沒有外濃差極化（ECP）和鹽反向滲透的情況下，廣義通量方程為：=()（式1-1）其中，其中A為膜的純水滲透系數(shù)；P為跨膜壓力；為反射系數(shù)；為驅動劑與原料液（純水）之間的滲透壓差。是膜對溶質選擇性的量度，通常取值在0-1之間[6]，為簡便起見，假設反射系數(shù)為1。式1-1僅在通量低或原料液很稀時有效，當通量較大時，由于膜表面的溶質濃度明顯高于原料液本身，因此在膜的原料液側會發(fā)生濃差極化，這種類型的濃差極化稱為外濃差極化（ECP）。
第1章緒論3圖1-2FO過程中膜結構和方向的溶液濃度分布示意圖[2]Fig.1-2SchematicillustrationsofthesolutionconcentrationprofileswithrespecttomembranestructureandorientationinFOprocess[2]考慮到ECP和ICP對水通量的影響，將正滲透水通量的計算公式修正為：w=dDSmdt（1-3）其中，dDS為驅動劑側增加的體積，m3；dt為變化的時間，s；m為正滲透膜的有效面積，m2。（2）膜特性的主要參數(shù)對于FO膜的表征，通量、膜的水滲透率、溶質滲透率、溶質反向滲透、結構參數(shù)等具有重要意義，這些參數(shù)主要取決于膜結構和溶質類型[13]。盡管膜的水滲透率高才能得到高膜通量，但會導致膜的選擇性差，因此，適中的水滲透值為佳[14,15]。但水通量還取決于操作條件，包括驅動劑濃度、原料液濃度、流向、溫度等，膜對溶質的選擇性也依賴于料液和驅動劑中離子的類型[16,17]。因此，為了比較不同膜的性能，對相似條件下的膜進行表征是非常重要的。1.1.2驅動劑的發(fā)展驅動劑通常由水和驅動溶質組成，主要是提供驅動FO過程的滲透壓，因此溶液的滲透壓很重要。理想稀溶液的滲透壓（P）由van’tHoff’s方程[18]得出：=（1-4）其中，為van’tHoff’s因素，即溶液中溶解化合物的單個粒子所含離子數(shù)（例如，NaCl溶液的=2）；為滲透系數(shù)；為分子摩爾質量；為理想氣體常數(shù)（=0.0820571Latmmol-1K-1）；為溶液的絕對K氏溫度。驅動劑的選擇一直是FO工藝中的一個關鍵問題，選擇合適驅動劑的法則是：1）產
第1章緒論3圖1-2FO過程中膜結構和方向的溶液濃度分布示意圖[2]Fig.1-2SchematicillustrationsofthesolutionconcentrationprofileswithrespecttomembranestructureandorientationinFOprocess[2]考慮到ECP和ICP對水通量的影響，將正滲透水通量的計算公式修正為：w=dDSmdt（1-3）其中，dDS為驅動劑側增加的體積，m3；dt為變化的時間，s；m為正滲透膜的有效面積，m2。（2）膜特性的主要參數(shù)對于FO膜的表征，通量、膜的水滲透率、溶質滲透率、溶質反向滲透、結構參數(shù)等具有重要意義，這些參數(shù)主要取決于膜結構和溶質類型[13]。盡管膜的水滲透率高才能得到高膜通量，但會導致膜的選擇性差，因此，適中的水滲透值為佳[14,15]。但水通量還取決于操作條件，包括驅動劑濃度、原料液濃度、流向、溫度等，膜對溶質的選擇性也依賴于料液和驅動劑中離子的類型[16,17]。因此，為了比較不同膜的性能，對相似條件下的膜進行表征是非常重要的。1.1.2驅動劑的發(fā)展驅動劑通常由水和驅動溶質組成，主要是提供驅動FO過程的滲透壓，因此溶液的滲透壓很重要。理想稀溶液的滲透壓（P）由van’tHoff’s方程[18]得出：=（1-4）其中，為van’tHoff’s因素，即溶液中溶解化合物的單個粒子所含離子數(shù)（例如，NaCl溶液的=2）；為滲透系數(shù)；為分子摩爾質量；為理想氣體常數(shù)（=0.0820571Latmmol-1K-1）；為溶液的絕對K氏溫度。驅動劑的選擇一直是FO工藝中的一個關鍵問題，選擇合適驅動劑的法則是：1）產
【參考文獻】
本文編號：2891280
【學位單位】：北京建筑大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：
第1章緒論1第1章緒論1.1正滲透背景及發(fā)展正滲透（FO），是指水或溶劑在半透膜上的自發(fā)擴散，水分子從滲透壓較低的一側向滲透壓較高的一側運動[1]，這種現(xiàn)象是化學物質在活細胞和許多過程中轉移的基礎[3]。圖1-1為FO、反滲透（RO）和壓力延遲滲透（PRO）過程的比較。FO過程中，具有高滲透壓的溶液被稱為驅動劑（汲取液），它提供了從原料液中提取水的驅動力；在驅動劑側施加壓力時，利用水流推動外部渦輪獲得滲透能，稱為PRO；應注意的是，所施加的壓力應小于原料液與驅動劑之間的滲透壓差；如果施加在驅動劑側的壓力高于滲透壓差，則發(fā)生反滲透[4,5]。圖1-1FO、RO和PRO過程比較[2]Fig.1-1SchematicofFO,RO,andPROprocesses[2].1.1.1正滲透過程中的傳質和膜特性（1）濃差極化通常，用溶液擴散模型來描述FO過程中的溶質傳輸機理。對于壓力驅動的膜過程（如RO），在沒有外濃差極化（ECP）和鹽反向滲透的情況下，廣義通量方程為：=()（式1-1）其中，其中A為膜的純水滲透系數(shù)；P為跨膜壓力；為反射系數(shù)；為驅動劑與原料液（純水）之間的滲透壓差。是膜對溶質選擇性的量度，通常取值在0-1之間[6]，為簡便起見，假設反射系數(shù)為1。式1-1僅在通量低或原料液很稀時有效，當通量較大時，由于膜表面的溶質濃度明顯高于原料液本身，因此在膜的原料液側會發(fā)生濃差極化，這種類型的濃差極化稱為外濃差極化（ECP）。
第1章緒論3圖1-2FO過程中膜結構和方向的溶液濃度分布示意圖[2]Fig.1-2SchematicillustrationsofthesolutionconcentrationprofileswithrespecttomembranestructureandorientationinFOprocess[2]考慮到ECP和ICP對水通量的影響，將正滲透水通量的計算公式修正為：w=dDSmdt（1-3）其中，dDS為驅動劑側增加的體積，m3；dt為變化的時間，s；m為正滲透膜的有效面積，m2。（2）膜特性的主要參數(shù)對于FO膜的表征，通量、膜的水滲透率、溶質滲透率、溶質反向滲透、結構參數(shù)等具有重要意義，這些參數(shù)主要取決于膜結構和溶質類型[13]。盡管膜的水滲透率高才能得到高膜通量，但會導致膜的選擇性差，因此，適中的水滲透值為佳[14,15]。但水通量還取決于操作條件，包括驅動劑濃度、原料液濃度、流向、溫度等，膜對溶質的選擇性也依賴于料液和驅動劑中離子的類型[16,17]。因此，為了比較不同膜的性能，對相似條件下的膜進行表征是非常重要的。1.1.2驅動劑的發(fā)展驅動劑通常由水和驅動溶質組成，主要是提供驅動FO過程的滲透壓，因此溶液的滲透壓很重要。理想稀溶液的滲透壓（P）由van’tHoff’s方程[18]得出：=（1-4）其中，為van’tHoff’s因素，即溶液中溶解化合物的單個粒子所含離子數(shù)（例如，NaCl溶液的=2）；為滲透系數(shù)；為分子摩爾質量；為理想氣體常數(shù)（=0.0820571Latmmol-1K-1）；為溶液的絕對K氏溫度。驅動劑的選擇一直是FO工藝中的一個關鍵問題，選擇合適驅動劑的法則是：1）產
第1章緒論3圖1-2FO過程中膜結構和方向的溶液濃度分布示意圖[2]Fig.1-2SchematicillustrationsofthesolutionconcentrationprofileswithrespecttomembranestructureandorientationinFOprocess[2]考慮到ECP和ICP對水通量的影響，將正滲透水通量的計算公式修正為：w=dDSmdt（1-3）其中，dDS為驅動劑側增加的體積，m3；dt為變化的時間，s；m為正滲透膜的有效面積，m2。（2）膜特性的主要參數(shù)對于FO膜的表征，通量、膜的水滲透率、溶質滲透率、溶質反向滲透、結構參數(shù)等具有重要意義，這些參數(shù)主要取決于膜結構和溶質類型[13]。盡管膜的水滲透率高才能得到高膜通量，但會導致膜的選擇性差，因此，適中的水滲透值為佳[14,15]。但水通量還取決于操作條件，包括驅動劑濃度、原料液濃度、流向、溫度等，膜對溶質的選擇性也依賴于料液和驅動劑中離子的類型[16,17]。因此，為了比較不同膜的性能，對相似條件下的膜進行表征是非常重要的。1.1.2驅動劑的發(fā)展驅動劑通常由水和驅動溶質組成，主要是提供驅動FO過程的滲透壓，因此溶液的滲透壓很重要。理想稀溶液的滲透壓（P）由van’tHoff’s方程[18]得出：=（1-4）其中，為van’tHoff’s因素，即溶液中溶解化合物的單個粒子所含離子數(shù)（例如，NaCl溶液的=2）；為滲透系數(shù)；為分子摩爾質量；為理想氣體常數(shù)（=0.0820571Latmmol-1K-1）；為溶液的絕對K氏溫度。驅動劑的選擇一直是FO工藝中的一個關鍵問題，選擇合適驅動劑的法則是：1）產
【參考文獻】
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1 高從堦;鄭根江;汪錳;王鐸;高學理;周勇;;正滲透-水純化和脫鹽的新途徑[J];水處理技術;2008年02期
2 于德賢,于德良,于萬波,李新培,韓彬;膜蒸餾海水淡化研究[J];膜科學與技術;2002年01期
本文編號：2891280
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