摘要

以聚合氯化鐵為絮凝劑，研究了海水微絮凝預處理過程的絮凝特征以及對超濾膜通量的影響?？疾炝宋⑿跄龑Ｋ杏袡C物的去除作用，并采用體系穩(wěn)定動力學參數(shù)、絮凝指數(shù)評價不同絮凝劑投加量在海水中的絮凝效果，探討了微絮凝對超濾膜污染的改善作用。實驗結果表明，微絮凝預處理能強化超濾膜對海水UV254 的去除效果，與超濾相比提高了27. 5% ，可有效去除海水中的蛋白類有機物。超濾膜直接過濾海水可造成膜通量嚴重下降，采用微絮凝作為預處理能有效減緩超濾膜污染，且減緩效果與絮凝劑的投加量密切相關，當PFC 的投加量為40 mg·L - 1 時，膜比通量J / J0 值大于0. 9。

近年來，超濾膜由于能有效截留懸浮物、膠體及微生物，且出水水質(zhì)穩(wěn)定、能耗低，已經(jīng)成為海水淡化預處理工程應用最廣泛的技術之一[1] 。其中，超濾膜的污染堵塞問題是阻礙其發(fā)展的主要問題[2] ，嚴重增加了超濾系統(tǒng)的運行能耗[3] 。研究表明，造成超濾膜堵塞的主要污染物是有機物[4-5] 。微絮凝作為超濾工藝的預處理技術，是將水體中的懸浮微粒、膠體相互碰撞形成肉眼難以看見的微絮凝體的絮凝過程，微絮凝能有效去除溶解性有機物，減緩超濾膜污染，并且可省去絮凝-沉淀構筑物的占地面積及費用[6] ，對于海水的深度凈化處理有著廣闊的發(fā)展前景。

有研究表明，超濾膜的污染程度與絮凝特性密切相關[7] 。海水是一種既有膠體溶液特性又有電解質(zhì)溶液特性并具有生物活性的溶液體系[8] ，并具有較強的分散穩(wěn)定性；因此海水的絮凝特征具有獨有的特性，目前有關海水的絮凝特征及其對超濾膜通量的改善作用研究并不完善。本研究以海水為研究對象，以聚合氯化鐵PFC 為絮凝劑，通過在線監(jiān)測海水微絮凝過程中絮凝指數(shù)FI、體系穩(wěn)定動力學參數(shù)等，綜合分析海水微絮凝過程中絮凝特征規(guī)律，對比分析直接超濾與微絮凝-超濾聯(lián)用技術對海水中溶解性有機物的去除效果，考察對超濾膜污染的減緩作用，以期為微絮凝預處理在超濾技術中的應用提供基礎數(shù)據(jù)。

1材料與方法

1. 1 儀器與試劑TA6-2 程控混凝實驗攪拌儀，武漢恒嶺科技有限公司；TURBISCAN LAB 分散穩(wěn)定性分析儀，法國FORMULACTION 公司；iPDA300 絮凝度測定儀，韓國EcoNovel 公司；DR5000 紫外可見分光光度計，美國HACH 公司；F-4600 熒光分光光度計，日本Hitachi 公司；Multi N/ C 3100 總有機碳/ 總氮分析儀，德國AnalytikJena 公司；8400 型超濾杯，美國Millipore 公司；ME2002E 電子天平，瑞士Mettler Toledo 公司；加熱磁力攪拌器，美國IKA 公司。

聚合氯化鐵（PFC，氧化鐵含量14% ~ 15% ，堿化度5. 3% ~ 6. 6% ），鞏義市弘興濾材廠；超濾膜（再生纖維素，切割分子質(zhì)量10 kDa，直徑76 mm，過濾面積41. 8 cm2 ），美國Millipore 公司。

1. 2 實驗水質(zhì)

實驗用海水取自天津港碼頭，實驗期間水質(zhì)指標為：溫度（9. 2 ± 2. 0）℃ ，電導率（44. 7 ± 1. 2） mS·cm - 1 ，pH 7. 80 ± 0. 15，濁度（1. 35 ± 0. 17）NTU，UV254 （0. 053 ± 0. 001）cm - 1 。

圖1實驗裝置示意圖Fig. 1Schematic diagram of experimental device1.

3 實驗方法

1. 3. 1 微絮凝實驗如圖1（a）所示，在1 L 燒杯中分別加入海水，絮凝劑投加量分別為：10、20、30、40 mg·L - 1 ，借助程控混凝實驗攪拌儀進行微絮凝實驗，攪拌速度為200 r·min - 1 ，攪拌時間為2 min，采用iPDA300 光散射絮凝度測定儀測定整個過程的絮凝指數(shù)；微絮凝結束后取少量水樣，立即測定穩(wěn)定動力學參數(shù)，同時將水樣經(jīng)0. 45 μm 濾膜過濾后，測定其UV254 、三維熒光光譜。

1. 3. 2 超濾實驗

如圖1（b） 所示，以氮氣為驅(qū)動力，將微絮凝實驗所得水樣，進行超濾杯實驗。超濾杯采用死端過濾，超濾膜在使用前至少在超純水中浸泡24 h。實驗時先測定超純水通量，在跨膜壓力240 kPa，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速100 r·min - 1 條件下過濾超純水至出水通量穩(wěn)定，借助電子天平記錄累計濾出水的質(zhì)量，計算膜初始通量（J0 ）。隨后再過濾微絮凝后的水樣，在跨膜壓力240 kPa，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速100 r·min - 1 條件下，計算膜出水通量（J），將J / J0 的比值作為實驗通量。收集濾液，測定UV254 和三維熒光光譜。

1. 4 分析方法

UV254 是水中一些有機物在254 nm 波長紫外光下的吸光度，可作為表征水中天然存在的腐殖質(zhì)類大分子有機物以及含C =C 雙鍵和C =O 雙鍵的芳香族化合物的參數(shù)。UV254 采用DR5000 紫外可見分光光度計進行測定。

穩(wěn)定動力學參數(shù)采用Turbiscan Lab 穩(wěn)定性分析儀測定，海水經(jīng)微絮凝后快速取樣并放入測試瓶中，液面高度約55 mm，每2 min 掃描1 次，共掃描16次，測試溫度26 ℃ 。通過脈沖式近紅外光同步測量透射光和背散射光強度變化，獲得沉淀層、混合層及澄清層的變化曲線，分析得出穩(wěn)定動力學參數(shù)。

絮凝指數(shù)采用iPDA300 光散射絮凝度測定儀測定。將光散射絮凝度測定儀的硅膠管兩端分別浸入微絮凝實驗的燒杯內(nèi)壁固定，海水先經(jīng)過iPDA300，再經(jīng)過蠕動泵回到燒杯中，形成循環(huán)回路。海水在投加絮凝劑之前先攪拌2 min 混勻，再投加絮凝劑，通過在線監(jiān)測微絮凝過程中絮體聚集及粒徑變化，獲得絮凝指數(shù)FI（flocculation index）變化曲線。

三維熒光光譜是一種具有較高價值的光譜指紋技術，可全方位分析水中有機物的組成特征和熒光光譜信息，對有機物的組成分布和含量分析具有較高的準確性，圖像直觀、靈敏度高，是一種廣泛應用的痕量分析技術。三維熒光光譜采用F-4600 熒光分光光度計測定，光源150 W 氙燈，光電倍增管電壓400 V，激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度均為5 nm，掃描速度為12 000 nm·min - 1 ，激發(fā)和發(fā)射光波長的掃描范圍分別為200 ~400 nm 和200 ~ 550 nm，水樣稀釋5 倍后進行測定。

2結果與討論

2. 1 微絮凝-超濾聯(lián)用工藝對海水有機物的去除效果

圖2不同工藝對UV254 的去除效果Fig. 2Effect of UV254 removal at varied process

圖2 為超濾與微絮凝-超濾聯(lián)用工藝對海水中UV254 的去除效果。

可知，在本實驗條件下，經(jīng)超濾后海水中UV254 值為0. 039 cm - 1 ，去除率為23. 5% 。海水中含有大量的親水性有機物，如腐殖酸、富里酸、多糖和蛋白質(zhì)等。根據(jù)實驗結果發(fā)現(xiàn)，超濾對UV254的去除效果并不理想，主要是由于超濾膜對有機物的去除并非簡單的物理截留，膜表面對懸浮態(tài)和膠體態(tài)有機物的吸附是主要的去除作用。與超濾相比，微絮凝-超濾聯(lián)用工藝強化了超濾膜對有機物的截留作用，隨著PFC 投加量的增加，UV254 去除率逐漸增大，當PFC 投加量為40 mg · L - 1 時， 海水中UV254 值為0. 025 cm - 1 ，去除率可達51. 0% 。微絮凝是使海水中的小微粒相互碰撞形成微小聚集體的絮凝過程。在超濾前投加PFC 絮凝劑預處理對UV254 的去除率有所提高，主要是由于PFC 的水解產(chǎn)物會將小分子溶解性有機物通過絡合或吸附于表面，形成微絮體，再被超濾膜截留[9] ，此外，F(xiàn)e3 + 還會對親水性有機物產(chǎn)生吸附架橋作用。

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