香港大學(xué)針對膜生物反應(yīng)器開發(fā)新型親水化膜處理工藝
2014-04-20 18:12:57
admin
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據(jù)都市日報(bào)網(wǎng)2011年7月14日訊 如今，人工合成膜的應(yīng)用已遍布我們生活的各個(gè)角落，并極大地改善了我們的生活質(zhì)量。從*常遇到的純凈水到現(xiàn)代醫(yī)學(xué)用到的人工器官，到處都有其應(yīng)用的影子。隨著更多的人開始關(guān)注水質(zhì)和水資源短缺問題，膜在污水處理領(lǐng)域得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。而此項(xiàng)成果亦作為香港大學(xué)工程學(xué)院百周年展覽的其中一部分，已于7月初在時(shí)代廣場展出，希望能讓市民大眾對膜的應(yīng)用有更深入的了解。
簡單來說，膜是一薄層材料，它可以選擇性地將一部分物質(zhì)與另一部分物質(zhì)分離開來。反滲透膜海水淡化就是將海水中的微生物和絕大部分鹽類物質(zhì)去除，得到的就是可以直接飲用的淡水。隨著人們對水環(huán)境質(zhì)量要求的提高和水資源短缺問題的惡化，膜，特別是微孔膜，在污水處理領(lǐng)域得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)可以將骯臟的污水處理到景觀用水的水平。為了更好地進(jìn)行污水回用，科學(xué)家和工程師們開發(fā)出了一種新型污水處理工藝，叫作膜生物反應(yīng)器。膜生物反應(yīng)器中膜的作用是隔離水中絕大部分的顆粒物質(zhì)，包括細(xì)菌和病毒。因此，經(jīng)過膜生物反應(yīng)器處理后的出水經(jīng)簡單消毒后可以用于洗車、沖廁甚至地下水和水庫水補(bǔ)充。
膜應(yīng)用的*大障礙是膜污染。膜污染是膜分離性能下降的一個(gè)統(tǒng)稱，原因主要是膜表面覆蓋有凝膠類物質(zhì)或者微生物群落等膜污染物質(zhì)。膜污染后運(yùn)行費(fèi)用大大上升，甚至影響膜本身的使用壽命。目前，微孔膜的主要制造材料是疏水性高分子聚合物。疏水性高分子聚合物形成的膜在柔韌性、抗酸堿性、抗腐蝕性和抗生物降解性方面性能優(yōu)越，而且制造工藝相對簡單。但由于疏水性材料更易粘附膜污染物質(zhì)，因此，膜表面需要進(jìn)行后續(xù)親水化處理。后續(xù)處理工藝大大提高了膜制造成本。而且，后續(xù)處理容易使膜表面孔徑結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，不易對膜分離性能進(jìn)行控制。
目前有一種研究趨勢是進(jìn)行同步親水化處理，意即膜的制造形成和親水化處理一步完成。比較常用的方法是在疏水性高分子聚合物中摻雜親水材料或雙性材料。但親水材料容易造成膜整體結(jié)構(gòu)的破壞，因此需要進(jìn)行選擇和優(yōu)化。更值得注意的是，許多親水性材料被包埋在膜基體內(nèi)，并不能達(dá)到膜表面，起不到改性的作用，而且造成了材料的浪費(fèi)。
開發(fā)新型親水化處理工藝
香港大學(xué)土木工程系環(huán)境工程研究中心開發(fā)了一種新型的同步親水化處理工藝。該工藝的*重要特點(diǎn)是在成膜過程中在膜表面自發(fā)植入納米氧化鋁顆粒。所謂自發(fā)就是無需特殊條件或特殊工藝要求，親水化過程同步完成。被植入的顆粒與膜材料嵌合穩(wěn)定，不易脫落。氧化鋁顆粒同疏水性高分子聚合物一樣，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，氧化鋁屬于無機(jī)材料，親水性能良好。此外，納米顆粒具有許多普通大顆粒所不具備的特殊性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用新型工藝制造出的膜不僅能抗有機(jī)膠體物質(zhì)的污染，而且有效阻礙了微生物在膜表面的粘附。同時(shí)，微生物在膜表面的生長受到了極大的抑制。理論計(jì)算表明，新型工藝的應(yīng)用前景非常廣泛，包含幾乎所有用于膜制造的疏水性高分子聚合物和許多功能性的無機(jī)納米顆粒，比如氧化鋁、二氧化鈦和納米銀等。目前該新型工藝已成功申請美國專利。此外，研究人員還開發(fā)了被植入顆粒原位生長的方法。顆粒原位生長的目的是為了提高無機(jī)顆粒在膜表面的覆蓋率，意即提高膜表面的整體親水性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過顆粒原位生長后，微生物在膜表面的粘附能力得到了進(jìn)一步削弱，有效提高了膜的抗污染性能。
可以預(yù)計(jì)，該新型工藝的廣泛使用將較大降低膜的生產(chǎn)成本和有效提高膜的使用壽命。膜成本的降低和膜污染的改善勢必促進(jìn)膜在各領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用。我們的生活質(zhì)素和周圍環(huán)境質(zhì)量將得到進(jìn)一步的提高。
撰文作者：施凱敏，香港大學(xué)工程學(xué)院土木工程系助理教授
三種PVDF微孔膜表面的比較：(a)未進(jìn)行表面親水化處理的膜
(b)表面植入氧化鋁納米顆粒的膜
(c)納米顆粒原位生長之后的膜
細(xì)水珠在膜表面形狀反映膜表面親水性。(a)未進(jìn)行表面親水化處理的膜，水珠拱起；
(b)表面植入氧化鋁納米顆粒的膜，水珠扁平。