香港大学针对膜生物反应器开发新型亲水化膜处理工艺
2014-04-20 18:12:57
admin
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据都市日报网2011年7月14日讯 如今，人工合成膜的应用已遍布我们生活的各个角落，并极大地改善了我们的生活质量。从*常遇到的纯净水到现代医学用到的人工器官，到处都有其应用的影子。随着更多的人开始关注水质和水资源短缺问题，膜在污水处理领域得到了愈来愈广泛的应用。而此项成果亦作为香港大学工程学院百周年展览的其中一部分，已于7月初在時代广场展出，希望能让市民大众对膜的应用有更深入的了解。
简单来说，膜是一薄层材料，它可以选择性地将一部分物质与另一部分物质分离开来。反渗透膜海水淡化就是将海水中的微生物和绝大部分盐类物质去除，得到的就是可以直接饮用的淡水。随着人们对水环境质量要求的提高和水资源短缺问题的恶化，膜，特別是微孔膜，在污水处理领域得到了愈来愈广泛的应用。传统的污水处理技术可以将肮脏的污水处理到景观用水的水平。为了更好地进行污水回用，科学家和工程师们开发出了一种新型污水处理工艺，叫作膜生物反应器。膜生物反应器中膜的作用是隔离水中绝大部分的颗粒物质，包括细菌和病毒。因此，经过膜生物反应器处理后的出水经简单消毒后可以用于洗车、冲厕甚至地下水和水库水补充。
膜应用的*大障碍是膜污染。膜污染是膜分离性能下降的一个统称，原因主要是膜表面覆盖有凝胶类物质或者微生物群落等膜污染物质。膜污染后运行费用大大上升，甚至影响膜本身的使用寿命。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韧性、抗酸碱性、抗腐蚀性和抗生物降解性方面性能优越，而且制造工艺相对简单。但由于疏水性材料更易粘附膜污染物质，因此，膜表面需要进行后续亲水化处理。后续处理工艺大大提高了膜制造成本。而且，后续处理容易使膜表面孔径结构发生改变，不易对膜分离性能进行控制。
目前有一种研究趋势是进行同步亲水化处理，意即膜的制造形成和亲水化处理一步完成。比较常用的方法是在疏水性高分子聚合物中掺杂亲水材料或双性材料。但亲水材料容易造成膜整体结构的破坏，因此需要进行选择和优化。更值得注意的是，许多亲水性材料被包埋在膜基体内，并不能达到膜表面，起不到改性的作用，而且造成了材料的浪费。
开发新型亲水化处理工艺
香港大学土木工程系环境工程研究中心开发了一种新型的同步亲水化处理工艺。该工艺的*重要特点是在成膜过程中在膜表面自发植入纳米氧化铝颗粒。所谓自发就是无需特殊条件或特殊工艺要求，亲水化过程同步完成。被植入的颗粒与膜材料嵌合稳定，不易脱落。氧化铝颗粒同疏水性高分子聚合物一样，具有优良的化学稳定性。同時，氧化铝属于无机材料，亲水性能良好。此外，纳米颗粒具有许多普通大颗粒所不具备的特殊性质。实验结果表明，使用新型工艺制造出的膜不仅能抗有机胶体物质的污染，而且有效阻碍了微生物在膜表面的粘附。同時，微生物在膜表面的生长受到了极大的抑制。理论计算表明，新型工艺的应用前景非常广泛，包含几乎所有用于膜制造的疏水性高分子聚合物和许多功能性的无机纳米颗粒，比如氧化铝、二氧化钛和纳米银等。目前该新型工艺已成功申请美国专利。此外，研究人员还开发了被植入颗粒原位生长的方法。颗粒原位生长的目的是为了提高无机颗粒在膜表面的覆盖率，意即提高膜表面的整体亲水性。实验结果表明，经过颗粒原位生长后，微生物在膜表面的粘附能力得到了进一步削弱，有效提高了膜的抗污染性能。
可以预计，该新型工艺的广泛使用将较大降低膜的生产成本和有效提高膜的使用寿命。膜成本的降低和膜污染的改善势必促进膜在各领域的更广泛应用。我们的生活质素和周围环境质量将得到进一步的提高。
撰文作者：施凯敏，香港大学工程学院土木工程系助理教授
三种PVDF微孔膜表面的比较：(a)未进行表面亲水化处理的膜
(b)表面植入氧化铝纳米颗粒的膜
(c)纳米颗粒原位生長之后的膜
细水珠在膜表面形状反映膜表面亲水性。(a)未进行表面亲水化处理的膜，水珠拱起；
(b)表面植入氧化铝纳米颗粒的膜，水珠扁平。