活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　垃圾填埋場是處理城市固體廢物的廣泛應用技術。但是這些垃圾填埋場中的大多數不符合正常排放限制，這導致了高度污染的滲濾液的產生，穩定的垃圾滲濾液含有多種高度濃縮的不可生物降解的有機物，這些有機物對環境具有極強的危害。盡管已經開發了許多滲濾液處理技術，但先進的膜過濾是有效凈化廢水比較環保方法之一。在目前的研究中，通過將活性炭集成到聚偏二氟乙烯上以使用相轉化法合成薄膜來生產新型聚合物膜。并且使用錯流環測試，活性炭用于過濾穩定的滲濾液的效果。

　　聚丙烯(PP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚砜(PS)等合成聚合物由于具有較高的通量、防污能力和分離效率而常用于膜制造。在所有這些合成聚合物中，聚偏二氟乙烯聚合物被證明是一種理想的膜制造材料，因為它具有耐用性、良好的熱穩定性和更高的耐化學性。在研發中往膜表面加入活性炭是可以提高膜截留性能的好方法。膜中活性炭的利用是去除廢水有機污染物的一項較新的技術，它不僅增強了活性炭的吸附能力，而且提高了膜的顆粒去除能力。

　　活性炭聚偏氟乙烯膜的制造

　　為了生產聚合物膜，聚偏二氟乙烯和1-甲基-2-吡咯烷酮分別用作聚合物和溶劑。圖1展示了用于制備涂料的過程。最初，聚合物PVDF使用加熱套在60至70℃的溫度范圍內完全溶解在1-甲基-2-吡咯烷酮溶劑中(圖1a)。為了獲得更好的合成膜滲透通量，加熱套溫度應始終保持在上述范圍內。然后將涂料溶液注入干凈的瓶中，再將所需量的粉末活性炭添加到原液中以生成用于混合膜的原液。最后，將裝有涂料溶液的玻璃瓶放入超聲波儀中8小時，以確認添加劑的均勻混合，在制備的涂料中沒有產生任何氣泡。制膜過程使用甲半自動膜澆鑄機施加到合成使用干-濕相處理的平片膜。

　　圖1：活性炭聚偏氟乙烯膜原液制備過程，膜的澆鑄工藝。

　　穩定垃圾滲濾液特性和實驗方法

　　提取超10年的原始滲濾液根據檢測的主要特征。其中較低的BOD5和COD的比率是0.075，表明滲濾液樣品高度穩定。滲濾液的其他質量參數，如COD、BOD5、NH3-N、顏色和pH值分別約為1187mg/L、88mg/L、316mg/L、1362PtCo/L和8.37。COD、顏色和NH3發現-N濃度遠高于標準排放限值。在此，對獨立因素(膜中聚偏氟乙烯和活性炭用量)和響應(COD、NH3-N、顏色去除和純水通量)之間的關系進行了徹底研究。基于復合設計圖2，對活性炭膜組合物進行了十幾次不同的測試實驗。

　　圖2：終端測試(純水滲透設置)。

　　污染物去除效率

　　測試中可以清楚地看出，活性炭聚偏氟乙烯膜對COD去除的影響比較大，隨著聚偏氟乙烯和活性炭濃度的線性項以及具有二次項的聚偏氟乙烯濃度從較低到較高水平的變化，記錄了COD去除的增加。因此，這種變化與使用活性炭膜的出色COD去除相輔相成。另一方面，當活性炭的交互項和二次項處于較高水平時，COD去除率下降。聚偏氟乙烯含量對顏色去除率的影響很顯著。這是因為活性炭含量對顏色去除具有漸進的影響。然而，聚偏氟乙烯的二次項、濃度以及和活性炭之間的相互作用顯示出負面影響。因此，隨著膜制造中聚偏氟乙烯膜含量的增加，顏色的去除得到增強，直到合適量(>14%聚偏氟乙烯)。此外，在去除NH3-N的情況下，聚偏氟乙烯濃度的線性項記錄了它對NH3-N去除具有巨大影響。NH3-N去除率隨著膜中聚偏氟乙烯含量的增加而增加。然而，對于點后的活性炭濃度(活性炭=1.0%);當聚偏氟乙烯或活性炭的二次項或相互作用項處于顯著水平時，NH3-N去除量開始減少。

　　圖3：活性炭與聚偏二氟乙烯制造的膜的擾動圖(左)和3D響應面(右)用于去除(a)COD、(b)顏色和(c)NH3-N的效率。

　　吸附材料活性炭用于制造一種新型聚偏二氟乙烯膜，用于處理穩定的垃圾滲濾液。與聚偏二氟乙烯膜(無活性炭)相比，與活性炭集成的制造的聚偏二氟乙烯平板膜顯示出更好的性能。活性炭的加入有效提高了膜的去除率和污染控制參數。將活性炭含量增加到一定值對COD、顏色和NH3-N的去除效率以及膜特性具有積極影響。總的來說，這項工作顯示了使用活性炭對疏水性聚偏二氟乙烯聚合物膜進行處理和親水性改進的潛力。為了進一步提高去除效率，可以通過添加親水性材料或應用預處理過程(例如通過活性炭吸附)來改善膜性能或實踐。

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