银纳米颗粒对正渗透膜有机污染的影响机制-环境工程本科生毕业设计.doc

编号

本科生毕业设计（论文）

题目：银纳米颗粒对正渗透膜有机污染的
影响机制

环境与土木工程 学院 环境工程 专业

学 号 1003110106
学生姓名 xx
指导教师 xx 副教授

二〇一五年六月

摘 要
正渗透（FO）是一种新兴的膜分离技术，由于具有不需要外加压力，能耗低，出水水质好等优点，正受到越来越多的关注，然而FO过程也不可避免地存在膜污染的问题. 银纳米颗粒(Ag NPs)由于独特的物理化学性质得到广泛应用，在抗菌杀毒方面是最有前景的金属纳米颗粒之一. 通过构建FO膜过滤装置，分别考察了本底实验，仅有有机物（海藻酸钠ALG和牛血清白蛋白BSA）或Ag NPs时FO膜的污染情况，并重点分析了Ag NPs对FO膜有机污染的影响机制. 结果表明，复合薄膜TFC膜较醋酸纤维膜CTA膜在本底实验中整体表现出优良的运行性能：高通量，低反向盐渗透. 在特征有机物对FO膜污染实验中发现，相对来说，TFC膜、FO朝向下的BSA&ALG混合溶液的通量最小，电导率差最大，污染最严重；而CTA膜、PRO朝向下的BSA溶液的通量最大，电导率差最小，污染最轻.对于Ag NPs对FO膜的污染实验表明，在添加5 mg/L的Ag NPs时，CTA膜和TFC膜的通量均小于1 mg/L Ag NPs；在添加Ag NPs后，膜面的污染情况加重，并且Ag NPs浓度越高，污染程度越大，而且TFC膜的污染情况较CTA膜更严重.在Ag NPs对FO膜有机污染实验中发现，添加1 mg/L Ag NPs后，通量在开始时稍微下降，经过一段时间后，其通量均大于未添加Ag NPs的对照组.这表明银纳米颗粒对有机污染物有一定的影响，且在一定时间后Ag NPs对有机污染物起到减缓作用，这个时间节点取决于有机污染物的不同. 当有特征污染物存在下，添加2 mg/L的Ag NPs比添加1 mg/L Ag NPs时的通量下降更快，电导率差更小，污染更严重.

关键词：正渗透；膜污染；银纳米颗粒；特征有机物
Abstract
ABSTRACT
Forward osmosis (FO) is a new membrane separation technology, since it does not require external pressure and need lower energy consumption. Thus, it attracts more and more interests. However, FO process inevitably exists a problem of membrane fouling. Silver nanoparticles(Ag NPs) is widely used due to its unique physical and chemical properties and ,it is one of the most promising metal nanoparticles in the aspect of antibacterial and virus. By design and operate the FO filtration device, we can investigate the pollution in FO membrane by only organic matter(ALG and BSA) or Ag NPs in blank experiment, and focus on the influence of FO membrane fouling by Ag NPs. The results indicated that compared to cellulose acetate membrane(CTA), thin-film composite polyamide (TFC) has better operation performance including higher flux and lower reverse osmotic salt. With regard to the study on the influence of feature organic foulants on the FO membrane fouling, it could be found that in the situation of using the TFC membrane, BSA&ALG solution and AL-FW had a lower flux, a bigger electric conductivity difference and a more serious pollution. In contrast, when the CTA membrane was applied, BSA solution and AL-DS had a higher flux , a smaller electric conductivity difference and a lighter pollution. As for the impacts of Ag NPs on FO membrane fouling, when only 5 mg/L Ag NPs was added in the solution, the fluxes of both FO membranes were less than that at 1 mg/L Ag NPs in solution. After adding the Ag NPs in the solution, the fouling on the membrane surface became more serious and increased with the concentration of Ag NPs. Furthermore, ,the membrane fouling of TFC membrane was more serious than that of CTA membrane. With respect to the study on the combined influence of feature organic foulants and Ag NPs on the FO membrane fouling, it could be found that after adding 1 mg/L Ag NPs in the solution, the flux declines slightly at the beginning, but the flux with the addition of Ag NPs was bigger than that with no addition of Ag NPs at the stable state. It implied that Ag NPs had a certain impact on organic foulants and could mitigate the FO membrane fouling after a certain time point. The time point was depending on the difference of organic pollutants. In the presence of feature foulants, compared to the solution added in 1 mg/L Ag NPs, the fasted flux decline and less the electric conductivity and more serious membrane fouling were achieved when the solution added in 2 mg/L Ag NPs..

Keywords: Forward osmosis; membrane fouling; silver nanoparticles; feature organic foulants

目录
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 I
第1章 绪论 1
1.1 正渗透膜分离技术 1
1.1.1 正渗透膜分离技术概述 1
1.1.2 正渗透膜分离技术及其原理 1
1.1.3 浓差极化现象 1
1.1.4 正渗透膜运行性能的影响因素 2
1.2 银纳米颗粒（Ag NPs） 2
1.2.1 Ag NPs的应用与现状 2
1.2.2 Ag NPs的潜在污染与危害 3
1.3 正渗透膜污染 3
1.4 立题背景及意义 4
1.5 国内外研究状况 4
1.6 研究内容和研究目标 4
1.6.1 研究内容 4
1.6.2 研究目标 5
第2章 材料和方法 7
2.1 实验装置 7
2.2 FO膜 7
2.3 实验原料及试剂 8
2.3.1 银纳米颗粒 8
2.3.2 试剂介绍 8
2.4 实验设置 8
2.5 分析方法 8
2.5.1 基本指标 8
2.5.2 特殊指标 9
第3章 结果与分析 11
3.1 FO膜的本底情况 11
3.1.1 膜种类和膜朝向对正渗透膜通量的影响 11
3.1.2 膜种类和膜朝向对正渗透膜电导率的影响 11
3.2 特征有机物对正渗透膜污染的影响 12
3.2.1 特征有机物对不同种类正渗透膜污染的影响 12
3.2.2 不同膜朝向对正渗透有机污染的影响 14
3.3银纳米颗粒对正渗透膜污染的影响 14
3.3.1 不同浓度的Ag NPs对不同种类正渗透膜污染的影响 14
3.3.2 Ag NPs在不同种类膜面的沉积情况 16
3.4 银纳米颗粒对正渗透膜有机污染的影响 16
3.4.1 银纳米颗粒对蛋白质和多糖的影响 16
3.4.2 Ag NPs对正渗透膜不同种类有机污染的影响 18
3.4.3 不同浓度Ag NPs对正渗透膜有机污染的影响 19
第4章 结论与展望 21
4.1 结论 21
4.2 不足之处及未来展望 22
参考文献 23
致 谢 25

25
25
银纳米颗粒对正渗透膜有机污染的影响机制
第1章 绪论
膜生物反应器（MBR）是一种高效的污水处理工艺，其优点是占地面积小，出水水质好，处理效果好，污泥产率低，操作管理方便等.然而，MBR有一个很大的瓶颈，那就是膜污染严重.为了突破这一限制因素，越来越多的人开始研究新型的MBR技术.正渗透膜-生物反应器（OMBR）正是这样的一种技术，具有水回收率高、浓水排放少、膜污染低、无需外压等特点，已经引起广大研究者的关注.但是正渗透（FO）也不可避免地会存在膜污染的问题，尤其是有机物引起的膜污染.银纳米颗粒（Ag NPs）由于其独特的物理化学性质得到广泛应用，在抗菌杀毒方面是最有前景的金属纳米颗粒之一.本文重点分析Ag NPs对FO膜有机污染的影响机制.
1.1 正渗透膜分离技术
1.1.1 正渗透膜分离技术概述
正渗透（FO）是一种新兴的膜分离技术，主要是利用膜两侧的汲取液和原料液之间的渗透压差作为分离的驱动力，而传统的膜分离技术（比如微滤、纳滤、超滤、反渗透等）靠外在压力和溶液本身的化学位差产生的推动力来进行分离[1]. 因此，渗透压低的原料液中的水就可以透过FO膜自发的进入渗透压高的汲取液中.FO分离技术由于不需要外加压力，能耗低，正受到越来越多的关注.
1.1.2 正渗透膜分离技术及其原理
正渗透膜分离装置主要由原料液（Feed solution）、汲取液（Draw solution）和FO膜组成.其中原料液的渗透压高于汲取液的渗透压产生驱动力，从而让水从原料液自动进入到汲取液中，然后通过反渗透或蒸馏的方法回收汲取液，同时得到净化后的水.
1.1.3 浓差极化现象
浓差极化现象普遍存在于FO分离过程和其他传统膜分离过程中.在FO过程中会同时产生外部浓差极化（ECP）和内部浓差极化（ICP），这是根据浓差极化发生的位置分类的.而根据溶质浓差极化程度的不同，又可分为浓缩浓差极化和稀释浓差极化.
一般情况下，外部浓差极化发生在渗透膜致密的活性层表面，而内部浓差极化发生在膜多孔支撑层的内部.在FO过程中，原料液溶质在驱动力的作用下，传递到膜表面，水分子透过膜进入到汲取液中，而溶质被截留聚积在膜表面附近.从而导致溶质在膜表面附近的浓度远高于其在主体溶液中的浓度，这种现象被称之为外部浓差极化.在FO过程中，当水分子从原料液一侧透过膜流向汲取液一侧时，在原料液一侧的溶质由于不能透过膜，将会在靠近原料液一侧的膜表面位置不断积聚，并且浓度会不断增大，形成一层高浓度层溶液，这种现象叫做浓缩的外部浓差极化（concentrative ECP）；同时，在汲取液一侧，由于透过了水分子，使得靠近汲取液一侧膜表面上的溶质不断被稀释，并且会形成一层稀释层溶液，这种现象被称作稀释的外部浓差极化（dilutive ECP）.当膜的朝向不同时，当膜的多孔支撑层朝向原料液时，水和溶质在多孔层中扩散，在膜内部多孔结构中就会形成一层浓缩的极化层，这种现象被称之为浓缩的内部浓差极化；相反的情况下，原料液中的水进入多孔层中会对汲取液侧的溶质稀释.这种现象被称之为稀释的内部浓差极化[2].一般来说，外部浓差极化可以通过增加膜表面的流速，形成湍流降低边界层厚度来减轻其影响[3].
1.1.4 正渗透膜运行性能的影响因素
（1）原料液和汲取液的浓度
由于驱动力是由两侧溶液的渗透压差所产生的，所以溶液浓度的不同会改变溶液渗透压的大小，从而改变驱动力的大小.当原料液的浓度一定时，增大汲取液的浓度，会使渗透压增大，从而使驱动力增大.然而当驱动力增大到一定程度时，会增加浓差极化发生的可能性，而由于浓差极化造成的通量减小的程度大于由驱动力增大带来的通量增大效应，因此必须控制原料液和汲取液在一定的浓度范围之内.当原料液中有污染物时，添加的污染物会增大溶液之间的分子间的作用力，使得溶质更易在膜表面沉积.
（2） 膜朝向
由于FO膜分离过程不需加外压，仅仅通过膜两侧溶液的渗透压差来提供驱动力，FO膜的多孔支撑层和分离层均会与溶液相接触，这与传统的靠压力驱动的膜分离过程中仅有分离层与溶液相接触是不同的，所以在FO膜分离过程中，不仅仅要考虑膜的活性层对其运行性能的影响，还要考虑到支撑层的结构对其的影响.在FO膜分离过程中，浓差极化会对膜产生影响，也因为不需外压，所以浓差极化对其影响特别严重.有研究表明[4]，外部浓差极化对FO分离过程的影响很小，主要的影响因素是内部浓差极化.当FO膜的支撑层朝向不同的时候，会产生不同的浓差极化，对膜分离过程造成不同的影响.并且在内部浓差极化中，稀释的内浓差极化对FO分离过程中的影响也要大于浓缩的内部浓差极化.相关研究证明了上述观点[5-8].
（3）温度
温度一方面会对原料液中溶质的溶解度有影响，另一方面也会对水的粘度有影响.溶质的溶解度变化了，原料液的浓度也会变化，从而影响渗透压差；水的粘度改变，也会导致传质的效果改变，这两种改变都会影响通量.另外，有研究表明，随着温度的增加，内部浓差极化现象会减小. 因此，对于正渗透过程而言，温度的波动必须控制在一个很小的范围[2].
（4）流速
上面也提到，外部浓差极化可以通过增加膜表面的流速来减轻其在FO过程中的影响，所以流速也是FO过程的影响因素之一.
1.2 银纳米颗粒（Ag NPs）
1.2.1 Ag NPs的应用与现状
21世纪以来纳米科学技术得到了巨大发展，因为纳米材料具有优异的物理和化学性质，被应用于许多领域.而其中，银纳米材料由于表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应（Kobo效应）和宏观量子隧道效应等特性，表现出优异的光、声、热、电、磁等性质，引起了广大科研工作者的兴趣.现如今，银纳米材料已经被广泛的应用于介电材料、表面拉曼增强，比色检测等生物传感器，癌症的诊断，热疗、催化等领域.
目前应用较为广泛的是利用Ag NPs的抗菌性.在金属抗菌剂中，银纳米颗粒相对来说具有极好的亲和力且抗菌性能最好.由于Ag NPs的亲和性极好，并能不断释放银离子与生物体细胞或者细胞膜上的巯基结合，可以干扰细胞壁的合成、损伤细胞膜、抑制蛋白质的合成、干扰核酸的合成.Ag NPs的抗菌性能优异，使得其在抑菌方面有很好的前景[9].
1.2.2 Ag NPs的潜在污染与危害
Ag NPs由于不好回收，极易在环境中富集，而Ag NPs又有很强的杀菌消毒的作用，释放到环境中的Ag NPs不仅会杀灭环境中的一些有害微生物，同时也会对一些有益微生物造成毁灭性的危害.Ag NPs经过一系列的环境行为后，中间不会有降解行为，只会越聚越多，达到一定浓度后会对环境、生物和人类健康造成一定的伤害.
1.3 正渗透膜污染
作为一项在污水回收和海水/苦咸水淡化上有前途的技术，新兴的FO膜技术日益受到重视.相比较压力驱动的膜技术来说，FO有很多潜在的优势，包括对各种污染物的高抑制、减少能量消耗和污水排放、较低的膜污染.然而，和其他膜技术类似，FO膜技术遭受长期的膜污染问题.当溶质或颗粒沉积在膜表面或进入膜的孔中的时候就产生了膜污染.根据其严重程度，污染物可以对膜性能有多种不良的影响程度，例如停止出水、恶化产品的水质、增加维护的负担.其中，有四个主要污染物的类型：（1）有机污染，这种污染是由大分子有机化合物引起的，比如海藻酸盐，蛋白质和天然有机物；（2）无机污染，当盐的浓度超过饱和时，少量的可溶性矿物盐就会结晶从而造成这种污染；（3）生物污染，这种污染包括细菌的积累、附着和随后的生长来生成生物膜；（4）胶体污染，这是由于胶体粒子沉积导致的污染[10].
由压力驱动的膜技术的污染机制已经被广泛研究，然而，目前关于FO膜污染的研究仍然较少. 考虑到本课题主要针对FO膜的有机污染，我们下面将重点介绍目前关于FO膜有机污染的研究进展.
水中有机物对膜过滤过程有很大的影响，有研究表明[14]，有机污染可能会形成膜孔堵塞并形成滤饼层，使得产水量降低，同时也会吸附到FO膜表面，形成了膜面的污染层.
Holloway等人研究发现，在处理厌氧消化池的滤液时，与RO膜过程相比，FO膜的通量下降速度较慢，通量恢复率较高[15]. FO膜较轻的污染行为是由于缺少压力，减少了压缩的污垢层的产生[15].类似的结论被Achilli等人证实，他们比较了FO膜生物反应器和常规反应器的结垢和清洗行为[16].为了阐明FO膜的结垢机制，Mi和Elimelech用原子力学显微镜（AFM）来研究FO膜上膜-污染物和污染物-污染物在有机污染和石膏结垢中起的作用[17-19].他们发现（1）污染物-污染物这个组合显著影响了FO膜上有机污染物的结垢速率和程度；（2）由不同材料制成的膜表现出不同的石膏结垢行为，并且有不同的机制.Mi和Elimelech也系统地研究了FO膜的清洗行为[17-19].他们发现，由有机物或石膏污染的膜甚至可以被简单的水冲洗彻底地清理干净而不需要用任何化学清洗剂.最近，FO膜的通量下降行为中临界通量的影响和内部浓差极化也在被关注[20].
需要强调的是，以前对FO膜污染的研究都集中在单一的污染物，极少关于FO膜复合污染的研究报道.然而，在实际情况中，不同类型的污染几乎总是共存于天然水域，因此，膜更可能同时被不同的污染物所污染.在RO膜上的污染研究已经证明了相对于单独的污染物，复合污染显著地表现出不同的行为并且包含不一样的机制，不同的有机污染物可以彼此干扰或者一种污染物影响其他污染物和膜表面之间的相互作用.另一方面，有机污染物也可以被其他类型的污染物所影响.例如，已经表明无机钙离子的存在可能通过架桥作用与有机分子来形成复合物形成网络结构从而加速有机污染行为[5].
1.4 立题背景及意义
银纳米颗粒（Ag NPs）由于其独特的物理化学性质得到广泛应用，在抗菌消毒方面是最有前景的金属纳米颗粒之一.有研究表明，微量的Ag NPs即可对生物造成毒害作用.释放到环境中的Ag NPs，经过一系列的环境行为，最终汇聚到进入环境的最后一道屏障-污水处理厂.因此，为了避免银纳米颗粒对环境的潜在危害，拟选用新兴的FO技术处理，通过研究Ag NPs对FO有机污染的影响，可以进一步了解膜污染机制，并对处理含有Ag NPs污水的膜污染控制具有一定的指导作用.
1.5 国内外研究状况
目前，关于银纳米颗粒（Ag NPs）的研究主要集中在对其特性的开发应用和毒性研究上，对其去除的研究较少，且主要集中于污水处理厂污泥絮凝等方法的去除.随着Ag NPs的广泛应用及对出水水质要求的增加，一种更有效的去除方法显得更为迫切.目前新兴的FO膜分离技术已经在美国、新加坡、欧洲等国家和地区得到大量研究和应用.目前鲜有研究采用FO膜去除Ag NPs，而尚未有学者研究Ag NPs对FO有机污染的机制.
FO过程不需外加压力做驱动力，水分子自发地通过半透膜从水化学势高的原料液渗透到水化学势低的汲取液.考虑到FO膜具有纳米级的尺寸，我们认为FO可以有效地从污水中去除纳米颗粒.近年来关于FO膜对痕量元素硼、砷等无机物、持久性有机污染物及环境内分泌物等的去除研究日益增多，但是对纳米颗粒的去除仍未见相关研究报道.本课题将以FO过滤装置为依托，考察Ag NPs对FO膜有机污染的影响机制，为FO膜去除Ag NPs过程中膜污染控制提供支撑.
1.6 研究内容和研究目标
1.6.1 研究内容
本课题研究的主要内容主要有以下三点：
（1）构建FO过滤装置，并通过清水实验了解装置各部分的结构以及对运行具有重要影响的参数.
（2）特征有机物对FO膜污染的影响研究
a. 以牛血清白蛋白和海藻酸钠作为FO膜的特征污染物，在单一及复合污染物条件下，考察其对不同的FO膜的污染行为.
b. 以牛血清白蛋白和海藻酸钠作为FO膜的特征污染物，在单一及复合污染物条件下，考察不同的膜朝向下的污染行为.
（3）Ag NPs和特征有机物对膜污染的影响研究
a. 以牛血清白蛋白和海藻酸钠作为FO膜的特征污染物，在单一及复合污染物条件下，添加一定量的Ag NPs，考察其对不同的FO膜的污染行为.
b. 以牛血清白蛋白和海藻酸钠作为FO膜的特征污染物，在单一及复合污染物条件下，添加一定量的Ag NPs，考察不同的膜朝向下的污染行为.
c. 以牛血清白蛋白和海藻酸钠作为FO膜的特征污染物，在单一及复合污染物条件下，添加不同浓度的Ag NPs，考察Ag NPs和特征有机污染物FO膜的污染行为.
1.6.2 研究目标
预期通过研究多糖和蛋白质等特征有机物在FO膜表面的粘附以及加入银纳米颗粒后膜污染行为的变化，解析银纳米颗粒对FO膜有机污染的影响机制.本项目的研究成果可以丰富和加深纳米颗粒对FO膜污染影响机制的认识.

第2章 材料和方法
2.1 实验装置
本次研究中使用的主要装置是由FO膜单元、原料液池、进水系统、出水系统和汲取液系统等组成.装置如图2-1所示，原料液池的有效容积为0.9 L.FO膜组件安置在反应器外侧，膜组件分为上下相同的两室，每室尺寸为：宽40 mm、长 85 mm、深20 mm.FO膜平放在中间，上侧通汲取液，下侧过进料液.
实验在温室中进行，温度控制在27 ℃左右，通量通过原料液质量的变化计算，每30 min读取原料液的质量变化.本实验中的汲取液采用5.0 M的硝酸钠溶液，并通过电导率仪控制浓度，当电导率仪示数小于设定值时，浓盐泵就会将8.0 M的硝酸钠浓溶液打入汲取液池中.
Pump
Pump
Draw Solution side
Feed Solution side
Conductivity controller
Pump
Concentrated salt tank
Feed tank
Draw tank
Balance
Magnetic stirrer

图2-1 FO膜单元流程图
2.2 FO膜
本次实验选取的是复合薄膜TFC和醋酸纤维膜CTA，下表是CTA膜和TFC膜的基本性质参数，可以看出TFC膜具有较好的透水性、较低的盐渗透性和较高的盐截留率，其接触角较CTA膜小，亲水性质好，膜面的Zeta电位低，更易于水分子透过.综合分析，TFC膜整体性能较CTA膜好，但是其表面粗糙度较高.由图2-2的两种膜扫描电镜结果也可以看出这一性质，在有机物浓度较高时，表面极易沉积大量有机物，膜污染情况较CTA膜严重.

表2-1 CTA膜和TFC膜的性质参数
膜种类
透水性A（10-12m/s Pa）
盐渗透性B（10-8m/s）
NaCl截留率（%）
接触角（°）
pH=6时Zeta电位（mV）
RMS表面粗糙度（nm）
CTA
2.8±0.1
17.5±0.5
89.5
77±1
-2.1±0.3
30±6
TFC
5.0±0.7
9.4±1.9
93.4
45±4
-10±5
105±11
b
a

图2-2 复合薄膜TFC（a）和醋酸纤维膜CTA（b）活性层扫描电镜图片
2.3 实验原料及试剂
2.3.1 银纳米颗粒
实验用的银纳米颗粒（Ag NPs）是从阿法埃莎（天津）化学有限公司新购买的成品.产品的规格性质为，20-40 nm，99.9%（质量分数），且表面无改性.
2.3.2 试剂介绍
本次实验所用试剂规格和介绍如表2-2所示.
表 2-2 实验中所用试剂
试剂
级别
产地
硝酸钠
分析纯AR
国药集团化学试剂有限公司
海藻酸钠
分析纯AR
国药集团化学试剂有限公司
牛血清白蛋白
分析纯AR
国药集团化学试剂有限公司
2.4 实验设置
实验设置不同膜朝向、膜种类、原料液的种类和浓度等变量，在这些情况下，考察特征有机物对FO膜污染的影响及银纳米颗粒（Ag NPs）和特征有机物对膜污染的影响.针对不同的变量，每次运行前，均将FO膜放在去离子水中浸泡，待反应器稳定后每隔半个小时测定一次水通量，稳定运行11 h，并在稳定时和结束时测定反应器中的电导率值.
2.5 分析方法
2.5.1 基本指标
试验过程中涉及到的主要测试项目及测试方法如表2-3 所示.试验和测试中所使用的化学试剂均为分析纯级.

表 2-3 主要测试项目及测试方法
分析项目
分析方法
多糖
苯酚-硫酸法
蛋白质
考马斯亮蓝G250染色法
电导率
雷磁-DDS-307
2.5.2 特殊指标
由电子秒表定时测定滤膜透过一定量滤液所需时间可得到膜通量，并可由下式计算得出：

式中：J 为膜通量，L/(m2·h)；V为在一定的运行时间内得到的过滤液体积，L；S为膜面积，m2；T为所需时间，h.

银纳米颗粒对正渗透膜有机污染的影响机制

第3章 结果与分析
3.1 FO膜的本底情况
为了更清楚、系统地了解正渗透膜装置的结构和运行情况，以及CTA膜和TFC膜在不同膜朝向下的基本性能.选用CTA膜和TFC膜，原料液为去离子水，汲取液为5.0 M NaNO3，错流速率为0.0223 m/s，温度为27±1 ℃.考察了两种膜在活性层朝原料液（AL-FW，FO）和活性层朝汲取液（AL-DS，PRO）两个朝向下的膜通量和电导率的变化情况.
3.1.1 膜种类和膜朝向对正渗透膜通量的影响

图3-1 不同种类的膜在不同朝向下膜通量随着时间的变化情况
从图3-1可以看出，初始阶段（7 h之前），TFC膜在FO朝向和PRO朝向时通量均较CTA膜的大.这是由TFC膜面性质本身决定的，相对于CTA膜来说，TFC膜的接触角较小，亲水性能好，使得其水通量大于CTA膜.另外，在FO朝向下，两种膜的通量相对较平稳；而在PRO朝向下，初始通量均远大于FO朝向下的初始通量，这是因为活性层朝向汲取液使得内部浓差极化降低，而随着时间的推移，PRO朝向下由于通量较大，原料液浓缩较快，使得渗透压差降低，通量随之下降.
3.1.2 膜种类和膜朝向对正渗透膜电导率的影响

图3-2CTA膜和TFC膜在不同朝向下的电导率差
由图3-2可以看出，FO朝向时，CTA膜的电导率差较TFC膜的大，这主要是由于TFC膜具有较大的盐截留率，但是在PRO朝向下，CTA膜的电导率反而较小，这是因为TFC膜通量较大，原料液浓缩，且TFC膜的支撑层较厚，内部浓差极化较大.CTA膜和TFC膜在PRO朝向下的电导率差均较FO朝向下的大，这是因为由图3-1可知，PRO朝向下两种膜的通量均较大，原料液浓缩情况较FO朝向严重.
由图3-1和3-2可以看出，复合薄膜TFC较醋酸纤维膜CTA通量大，且电导率差值较小，整体表现出较好的运行性能：高通量，低反向盐渗透.有研究表明，TFC膜较CTA膜表面Zeta电位低，较多的负电荷有利于水分子通过氢键结合在膜表面，进而使得其亲水性较好，水通量亦随之增大.
3.2 特征有机物对正渗透膜污染的影响
活性污泥表面胞外聚合物主要由蛋白质和多糖组成，为了了解蛋白质和多糖两种有机物对正渗透膜的污染情况.本次实验中，选取海藻酸钠（ALG）为特征多糖，牛血清白蛋白（BSA）为特征蛋白质，模拟膜面有机污染物，浓度均为200 mg/L，汲取液为5.0 M NaNO3，错流速率为0.0223 m/s，温度为27±1 ℃，考察了特征有机物ALG、BSA和ALG&BSA复合情况对膜污染的影响.
3.2.1 特征有机物对不同种类正渗透膜污染的影响
3.2.1.1 特征有机物对不同种类的正渗透膜通量的影响
选取CTA膜和TFC膜，均为FO朝向，汲取液为5.0 M NaNO3，错流速率为0.0223 m/s，温度为27±1 ℃，考察了CTA膜和TFC膜在处理特征有机物ALG、BSA和ALG&BSA复合情况的膜通量和电导率的变化情况.

图3-3 不同种类膜处理不同有机物时通量随时间的变化情况
从图3-3中，可以发现CTA膜和TFC膜在原料液中仅有BSA时，最后的通量均最大，通量下降均最小.两种膜在有机物复合条件下，最后的通量均较小，通量下降的均最快.这主要是由于当两种有机物共同存在于原料液时，使得原料液中污染物浓度较高，在膜面沉积的可能性增大，导致通量下降的最快.此外，还可以发现，TFC膜在初始阶段与CTA膜的通量相差不大，甚至当添加的是ALG溶液和BSA/ALG混合溶液时初始通量较CTA膜的略大，但是随着时间的推移，TFC膜污染变严重，通量下降较快.这种现象主要是由于TFC膜表面粗糙度较高，污染物更易吸附在膜表面，从而导致膜通量下降较CTA膜快.
3.2.1.2 特征有机物对不同种类正渗透膜的电导率差的影响

图3-4 不同种类膜处理不同有机物时的电导率差
由图3-4可以看出，原料液中添加有机物（ALG、BSA及ALG&BSA复合情况）后，TFC膜对应的电导率差都比CTA膜小，反向盐渗透情况较小，这与TFC膜本身具有较大的盐截留率有关，同时，TFC膜面粗糙度较大，更易沉积一层有机污染层，对盐截留也有一定的贡献.此外，需要注意的是，当仅有BSA溶液时，两种膜的电导率差都是最大，其次为ALG/BSA混合溶液，最小的是仅有ALG溶液，这主要是ALG粘性较大，在膜面能形成一层均匀的凝胶层，使得反向盐渗透情况降低.当只看单一的膜的时候，TFC膜的电导率差在三种情况下几乎保持一致；而CTA膜的浮动幅度比TFC膜的大很多.这是因为TFC膜的盐截留率较大，使得有机物种类的不同对电导率差造成的影响相对较小.
3.2.2 不同膜朝向对正渗透有机污染的影响
选取TFC膜，原料液为ALG溶液、BSA溶液和ALG&BSA复合溶液，汲取液为5.0 M NaNO3，错流速率为0.0223 m/s，温度为27±1 ℃，考察在FO朝向和PRO朝向时膜面有机污染情况.

图3-5不同朝向下处理不同有机物时膜通量随时间的变化情况
从图3-5可以看出，无论哪种有机污染物，PRO朝向下的膜通量明显小于FO朝向.这说明FO膜在PRO朝向下的膜污染更重，主要是由于多孔的支撑层更容易吸附有机污染物.如果进一步分析通量的变化趋势，可以发现在PRO朝向下，通量是快速下降然后稳定，而FO朝向下则是缓慢下降.此外，由图3-5中的曲线趋势可以看出，FO朝向和PRO朝向下，在原料液中仅有BSA时通量下降最慢，在仅有ALG与两种有机物复合的情况下，通量下降趋势相同，但是复合条件下下降的更快，这主要是由于ALG具有较大的粘性，从而极易在膜表面沉积，最终导致造成明显的通量下降情况.
3.3银纳米颗粒对正渗透膜污染的影响
3.3.1 不同浓度的Ag NPs对不同种类正渗透膜污染的影响
为对仅有Ag NPs时正渗透膜的污染情况有一个基本料及.在本次实验中，选取去离子水为原料液，添加不同浓度的Ag NPs，汲取液为5.0 M NaNO3，错流速率为0.0223 m/s，温度为27±1 ℃，考察了添加不同浓度Ag NPs对正渗透膜通量和电导率的影响.
3.3.1.1 不同浓度的Ag NPs对不同种类膜通量的影响
选取CTA膜和TFC膜，均为FO朝向，汲取液为5.0 M NaNO3，错流速率为0.0223 m/s，温度为27±1 ℃，考察了在添加1 mg/L和5 mg/L的Ag NPs时CTA膜和TFC膜的通量和电导率的变化情况.

图3-6不同浓度银纳米颗粒对不同正渗透膜通量的影响
由图3-6可以看出，添加1 mg/L的Ag NPs时，不管是TFC膜或者CTA膜，膜通量整体比较平稳，随时间推移并无明显下降趋势，且TFC膜和CTA膜的通量相差不大.然而，在添加5 mg/L的Ag NPs时，TFC膜和CTA膜通量均小于添加1 mg/L Ag NPs的情况，表明Ag NPs在膜面的污染情况加重.并且在这种情况下，TFC膜的通量下降大于CTA膜的通量下降，这也表明TFC膜的污染情况更重.
3.3.1.2 不同浓度的Ag NPs对不同种类正渗透膜电导率的影响

图3-7 不同种类的膜在处理不同浓度Ag NPs时的电导率差
从图3-7中，可以发现在添加1 mg/L和5 mg/L银纳米颗粒时，CTA膜的电导率差均大于TFC膜.这与膜本身的性质有关，TFC膜本身的盐截留率较大，故而在经过一段时间的实验之后选取TFC膜的原料液中的溶液浓度较选取CTA膜的大.因为溶液中NaNO3属于强电解质，强电解质溶液浓度增加，溶液中载流子数目增多，电导率也就增加[21]，从而电导率差就减小.同时由于TFC膜面比较粗糙，膜面沉积量增加，进而可能堵塞膜孔，由图3-6中TFC膜通量下降较快也可验证此观点，使得整体盐透过率降低.添加5 mg/L的Ag NPs较1 mg/L的Ag NPs