采用氨基功能化氧化石墨烯改性正渗透膜的抗污染机理及时效性研究

Forward osmosis (FO) is of intriguing interest in membrane science and technology because of its advantages in energy consumption and environmental friendliness. Due to the hydrophilicity and modificability of the grapheme oxide (GO), surface modification of composite FO membrane with amine-functionalized GO (AFGO) is proposed in this project. This modification is able to reduce membrane fouling and concentration polarization that limited the membrane application. The modification methods to be adopted include blending, chemical grafting, coating-grafting. The anti-fouling performance and mechanism of the FO membrane modified with AFGO will be investigated by the analysis of the memrbane surface morphology and interaction of moleculars. With the theory of the surface free energy and multiple measurements, this project is to confirm the feasibility and superiority of the FO membrane modification with AFGO theoretically and practically. Besides the membrane samples are tested in cross-flow filtration for a simulative fouling experiment,the performance of modified FO membranes will be used in membrane bioreactor (MBR) for a long-term to investigate the durability of the modification. It also aims at investigating the adsorption of extracellular polymeric substances in active sludge on the modified membranes These research results will provide the theoretical support for the research of membrane material and surface modification. It also will be helpful to the development of membrane anti-fouling technology and the application of FO process.

基于能耗和环境友好性的优势，正渗透（FO）工艺是目前膜科学技术的研究热点。本项目根据氧化石墨烯（GO）的亲水性和易修饰的特点，首次提出采用氨基功能化氧化石墨烯对复合FO膜进行表面改性，以减缓膜污染和浓差极化等限制性因素。本项目拟采用共混、化学接枝和涂覆-接枝的方式分别进行膜表面改性，从膜面微观形貌、分子水平的微观作用力等角度研究氨基功能化的氧化石墨烯（AFGO）改性的FO膜的抗污染性能和机理，采用表面自由能分析与多种分析测试手段，从表征和机理两方面论证AFGO改性FO膜的可行性和优越性。除错流式模拟污染实验之外，本项目还提出采用结合MBR长期运行的方式，对改性FO膜在活性污泥系统中对胞外聚合物的吸附特征，同时验证AFGO改性膜表面的时效性。本项目研究成果为FO膜材料改进和表面改性技术提供理论基础，污染机理研究成果也为膜污染控制技术所借鉴，有利于FO膜技术应用推广。

正渗透（FO）工艺利用渗透压进行分离的前沿膜技术,但膜污染依然是该技术的限制性因素。根据氧化石墨烯的片状结构和易修饰的特点，本项目采用氨基功能化氧化石墨烯对复合FO膜进行表面改性，以提高水通量和减缓膜污染等限制性因素。实验分别进采用共混、化学接枝和涂覆-接枝的方式行膜的制备与改性，从膜面微观形貌、分子水平的微观作用力等角度研究氨基功能化的氧化石墨烯改性的FO膜的抗污染性能和机理，采用多种分析测试手段，从表征和机理两方面论证改性FO膜在污水处理方面的可行性和优越性。实验结果证明, 氧化石墨烯因其带有大量的羟基，羧基和环氧基，将其加入到正渗透膜中,能与水分子形成氢键，明显有利于提高膜的水渗透性能; 改性FO膜纯水通量相较于原膜，在长时间的分离实验中通量明显增加，对牛血清蛋白、乳化油等模拟污染物进行分离，截留率均可达99%以上。改性的FO膜的传质机理依然以溶解扩散机理为主，当GO等纳米材料组份增加时，在提高其渗透性的同时将降低其选择性。项目还采用结合MBR长期运行的方式，对改性FO膜在活性污泥系统中对胞外聚合物的吸附特征，同时验证AFGO改性膜表面的时效性。实验结果表明，随着实验期间随着时间增加，对污染物的截留率有下降的趋势，数据分析表明盐浓度的增大会影响微生物的活性从而影响反应器对COD的去除率，从膜面的胞外聚合物组份（EPS）和污泥混合液的可溶性微生物产物（SMP）分析，来看染料废水的EPS的含量随反应器的运行，EPS的含量逐渐增多，SMP的含量运行期内蛋白质都有着含量稳定的现象，而SMP的增长主要是由于多糖含量的增加。本项目研究成果为FO膜和GO膜的改进提供理论基础，污染机理研究成果也为膜污染控制技术所借鉴，有利于FO膜技术在污水处理应用方面的推广。