一种改性膜组件及其制备方法和在过滤中的应用

1.本发明属于膜技术与膜污染控制技术领域，具体涉及一种改性膜组件及其制备方法和在过滤中的应用。


背景技术：

2.超滤膜分离技术是污废水处理中最具前景工艺选择。然而，膜污染是超滤膜应用的最大挑战，其中微生物污染控制非常困难。膜表面生物污染的控制主要有两种途径，一是对原水进行处理以降低微生物的浓度，二是采用物理或者化学的清洗方法。前者成本高且难以阻止细菌生长，后者去除效率低且容易破坏膜支撑层。因此，寻找新方法减缓超滤膜污染速度，包括表面微生物的附着乃至生物膜的形成速度，对于膜污染防治具有重要意义。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种改性膜组件及其制备方法。
4.本发明还要解决的技术问题是提供上述改性膜组件在过滤中的应用。
5.发明思路：群体感应是细菌监控自身群体密度的环境信号感应系统。细菌在繁殖过程中分泌一些特定的化学信号分子，从胞内扩散到胞外，当这种信号分子达到一定的阈值时，细菌感受到自身的细胞密度，启动某些基因的表达，这一过程称为群体感应(qs)。群感效应会增加了微生物含量，从而在过膜时加剧膜的生物污染。而群感效应抑制剂(qsi)则通过抑制信号分子合成、灭活或酶促降解信号分子等方式，抑制群感效应，减少胞外聚合物的产生，从而减少细菌的生长，抑制生物膜的形成。因此，本发明通过将群感效应抑制剂与膜的结合，建立一种新的膜污染控制方法。
6.为了解决上述第一个技术问题，本发明公开了一种改性膜组件的制备方法，将含群感效应抑制剂的封装液灌注于膜组件中、洗涤，即得改性膜组件。
7.其中，所述膜组件包括但不限于超滤膜组件。
8.其中，所述超滤膜组件可以为平板膜组件，也可以为中空纤维膜或管式膜组件。
9.其中，所述超滤膜组件的材质为聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚丙烯和聚四氟乙烯中的一种或多种。
10.其中，所述群感效应抑制剂为香兰素、白藜芦醇、呋喃酮和对羟基苯甲醛中的任意一种或几种组合。
11.其中，所述含群感效应抑制剂的封装液中群感效应抑制剂的质量浓度为0.05％
‑
5％；优选地，所述含群感效应抑制剂的封装液中群感效应抑制剂的质量浓度为0.1％
‑
1％。
12.其中，所述含群感效应抑制剂的封装液还包括三羟甲基氨基甲烷和盐酸多巴胺。
13.其中，所述三羟甲基氨基甲烷和盐酸多巴胺的质量浓度分别为2％
‑
20％和0.05％
‑
1％。
14.其中，所述含群感效应抑制剂的封装液的溶剂为水。
15.其中，将含群感效应抑制剂的封装液反向灌注到膜组件中。
16.其中，将含群感效应抑制剂的封装液灌注于膜组件中，振动0
‑
60min，再静置；优选地，所述静置的时间为0.2
‑
2h；进一步优选地，所述静置的时间为1h。
17.其中，所述洗涤为用水洗涤。
18.其中，所述水的用量为10
‑
200l/m2膜组件。
19.优选地，通过如图1所示的装置对膜组件进行改性。
20.其中，所述装置包括第一进料桶11、第二进料桶12、第一泵21、第二泵22、空气压缩机3、膜组件4、第一阀门51、第二阀门52、第三阀门53、第四阀门54、第一管道61、第二管道62、第三管道63、第四管道64、第五管道65、第六管道66、第七管道67、容器7、容器7的入水口72、容器7的出水口71。
21.其中，所述第一进料桶11与第二进料桶12分别通过第一管道61、第二管道62与第三管道63并联，第三管道63与第一泵21、第四管道64依次串联，接入到容器7的入水口72。
22.其中，所述膜组件4置于容器7中。
23.其中，所述容器7的顶部通过第七管道67与第二泵22相连，所述第二泵22的出口通过第六管道66设有出水口71。
24.其中，所述空气压缩机3通过第五管道65接入到容器7的入水口72。
25.其中，所述第一阀门51、第二阀门52、第三阀门53、第四阀门54分别设置在第一管道61、第二管道62、第四管道64和第五管道65上。
26.其中，所述、第一管道61、第二管道62、第三管道63、第四管道64、第五管道65、第六管道66和第七管道67均为软管。
27.其中，采用上述装置制备改性膜组件包括如下步骤：
28.(1)将含群感效应抑制剂的封装液置于第一进料桶11中，水置于第二进料桶12中；
29.(2)通过第一泵21将第一进料桶11中的含群感效应抑制剂的封装液泵入容器7的入水口72，使封装液反向渗入膜组件4中，直至膜组件4的表面渗出封装液，停止泵入；
30.(3)室温下将膜振动0
‑
60min，接着静置0.2
‑
2小时；
31.(4)开启空气压缩机3将空气从容器7的出水口71注入膜组件4，挤出多余的封装液；
32.(5)通过第一泵21将第二进料桶21中的水泵入容器7的入水口72，向膜组件4中注入水洗涤；
33.(6)通过第二泵22从容器7的出水口71抽吸出水以达到洗涤的效果，即得改性膜组件。
34.其中，步骤(5)也可以替换为将膜组件4浸没于水中，从出水口71抽吸出水以达到清洗的效果。
35.上述方法制备得到的改性膜组件也在本发明的保护范围之内。
36.其中，所得改性膜组件在保持原有超滤性能的基础上，提高其抗菌性能。
37.为了解决上述第二个技术问题，本发明公开了上述改性膜组件在过滤中的应用。
38.其中，所述应用的具体方法为将待处理液体注入容器7，启动第二泵22抽吸，容器7中待处理液体透过超滤膜组件4的膜片被第二泵22抽吸出，从出水口71所得到的液体即为经改性膜组件处理后的液体。
39.其中，所述应用为将上述改性膜组件用于水处理，或液体物料分离中的抗生物污染。
40.其中，所述过滤的压力为0.01
‑
0.5mpa；优选地，当膜组件为中空纤维或平板膜时，所述压力为0.02
‑
0.2mpa，当膜组件为管式膜时，所述压力为0.1
‑
0.4mpa。
41.其中，所述过滤的温度为5
‑
40℃；优选地，所述温度为20
‑
25℃。
42.与现有技术相比，本发明具有如下的优势：
43.1、本发明将群感效应抑制剂固定在膜组件及膜孔内部，可以有效预防生物对膜孔的污染，改善过滤性能，提高膜通量。
44.2、本发明采用反向灌注的方法对膜组件进行改性，其群感效应抑制剂主要附着在膜孔内壁表面，较常见的共混改性方法，抑制剂与废水更容易接触，膜污染抑制效果更好；此外，香兰素等群感效应抑制剂暴露在膜表面时，可显著提高聚醚砜膜的亲水性，减缓浓差极化现象，还提高了膜的抗氧化和抗菌特性。
45.3、本发明采用的香兰素、对羟基苯甲醛、白藜芦醇等抑制剂大多来源于植物食品提取物和植物化学物质，为廉价易得的天然材料，无污染且对人体友好。不仅可用于废水分离，还适用于液体食品澄清领域。
46.4、本发明制备工艺简单，容易实现。
附图说明
47.下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
48.图1为本发明提高超滤膜抗生物污染性能的一般制备工艺组件。
49.图标：第一进料桶11、第二进料桶12、第一泵21、第二泵22、空气压缩机3、膜组件4、第一阀门51、第二阀门52、第三阀门53、第四阀门54、第一管道61、第二管道62、第三管道63、第四管道64、第五管道65、容器7、容器7的出水口71。
具体实施方式
50.下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
51.下述实施例中采用如图1所示的装置制备膜组件。其中，所述装置包括第一进料桶11、第二进料桶12、第一泵21、第二泵22、空气压缩机3、膜组件4、第一阀门51、第二阀门52、第三阀门53、第四阀门54、第一管道61、第二管道62、第三管道63、第四管道64、第五管道65、第六管道66、第七管道67、容器7、容器7的入水口72、容器7的出水口71。其中，所述第一进料桶11与第二进料桶12分别通过第一管道61、第二管道62与第三管道63并联，第三管道63与第一泵21、第四管道64依次串联，接入到容器7的入水口72。其中，所述膜组件4置于容器7中。其中，所述容器7的顶部通过第七管道67与第二泵22相连，所述第二泵22的出口通过第六管道66设有出水口71。其中，所述空气压缩机3通过第五管道65接入到容器7的入水口72。其中，所述第一阀门51、第二阀门52、第三阀门53、第四阀门54分别设置在第一管道61、第二管道62、第四管道64和第五管道65上。
52.下述实施例中，通过膜组件进行过滤测试，具体为将待处理液体注入容器7中，启
动第二泵22抽吸，容器7中待处理的液体透过超滤膜组件4的膜片被第二泵22抽吸出，从出水口71所得到的液体即为经改性膜组件处理后的液体。
53.下述实施例中所述浓度，若无特殊说明均为质量浓度。
54.实施例1：群感效应抑制剂qsi对超滤过程中膜通量的影响
55.配制群感效应抑制剂封装液：溶剂为水，群感效应抑制剂为香兰素和对羟基苯甲醛，浓度分别为0.2％和0.1％，三羟甲基氨基甲烷浓度为5％，盐酸多巴胺浓度为0.3％。
56.改性后膜组件的制备：将群感效应抑制剂封装液倒入进料桶，通过进料泵将封装液从容器的入水口反向灌注到rge
‑
150型平板膜组件中，至膜表面有水渗出为止。室温下振动10min，接着静置1h。开启空气压缩机，在0.2mpa的压力条件下向平板膜内部注入空气进行吹扫。然后再通过进料泵将洗涤水灌注到rge
‑
150型平板膜组件中，洗涤水用量为10l/m2膜面积。通过第二泵22从容器7的出水口71抽吸出水以达到洗涤的效果。得到具有抗生物污染性能的膜组件。
57.取某城镇污水处理厂处理出水通过改性后和改性前的膜组件在室温下进行对比过滤试验，过滤压力为0.15mpa。连续过滤一个月后测定膜通量。测得改性后膜组件通量为25l
·
m
‑2·
h
‑1，未改性膜组件通量为18l
·
m
‑2·
h
‑1，改性组通量提高38.9％。
58.实施例2：不同膜制备方法对苹果汁通量的影响
59.配制群感效应抑制剂封装液：溶剂为水，群感效应抑制剂为白藜芦醇，浓度为0.5％，三羟甲基氨基甲烷浓度为8％，盐酸多巴胺浓度为0.5％。
60.改性后膜组件的制备：将群感效应抑制剂封装液倒入进料桶，通过进料泵将封装液从容器的入水口反向灌注到有机管式膜组件中，管式膜组件的孔径为100nm，膜组件材质为聚偏氟乙烯，膜管直径为8mm，至膜表面有水渗出为止。室温下振动15min，接着静置1h。开启空气压缩机，在0.5mpa的压力条件下向管式膜内部注入空气进行吹扫。然后再通过进料泵将洗涤水灌注到有机管式膜组件中，洗涤水用量为120l/m2。通过第二泵22从容器7的出水口71抽吸出水以达到洗涤的效果。得到具有抗生物污染性能的膜组件。
61.取压榨苹果汁，在0.4mpa、25℃下进行超滤膜对苹果汁的过滤测试，装置运行一个月后，测定膜通量。测得改性后膜组件通量为65l
·
m
‑2·
h
‑1，未改性膜组件通量为50l
·
m
‑2·
h
‑1，改性组通量提高30％。
62.对比例1：采用共混法qsi抑制剂超滤膜。
63.其制备方法为：将香兰素、对羟基苯甲醛和聚偏氟乙烯粉末(数据分子量30万)在60℃条件下溶于n,n
‑
二甲基乙酰胺中，配成12％的聚偏氟乙烯溶液，过滤脱泡后得到铸膜液；溶液用100μm的浇铸刀均匀地铺展在90℃的透明玻璃板上。铸膜液在空气中停5秒后，将玻璃板放入去离子水中进行分相。然后，将制备的超滤膜在纯水中浸泡24h去除残留的溶剂后得到超滤膜。其中香兰素、对羟基苯甲醛的投加量分别为0.3％和0.2％，聚偏氟乙烯投加量为15％。将装有该超滤膜的平板膜组件用于实验，实验条件同实施例1。测得膜通量为21.6l
·
m
‑2·
h
‑1，比实施例1通量低13.6％。
64.本发明提供了一种改性膜组件及其制备方法和在过滤中的应用的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均
可用现有技术加以实现。