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利用半导体二极管激光对膜进行改性以减少外置式MBR系统的膜生物污染及建模研究
膜生物污染 膜改性 半导体二极管激光器 活性污泥过滤
膜生物污染是基于膜法的污水处理中的主要问题之一。本研究采用激光技术对超滤聚醚砜(UP150)膜进行改性以降低膜生物污染。使用波长分别为405、520和658纳米、功率密度为1.5、2.0和2.5毫瓦的半导体激光二极管来改善膜结构抗生物污染性能。测定了原始膜与改性膜的纯水渗透率(Lp)、接触角、孔隙率和平均孔径。原始UP150膜的Lp值(1102.0升/(平方米·小时·巴))高于改性膜(19.2升/(平方米·小时·巴))。接触角数据显示,在2.5毫瓦激光照射2小时后亲水性从75.1°降至61.2°。膜孔隙率从63.2%增至67.7%,但平均孔径经激光改性后从88纳米降至23纳米。系统研究了激光波长和照射时间对蛋白质(牛血清白蛋白,BSA)及可溶性微生物产物(蛋白质和碳水化合物组分)截留率的影响。当活性污泥通过改性膜过滤时,碳水化合物和蛋白质的最大截留率分别达到32.2%和41.9%。此外,改性膜过滤BSA溶液时实现了100%的BSA截留。通过原子力显微镜(AFM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)和机械强度测试对改性膜进行了全面表征,以观察改性前后膜的形态变化。结果表明激光照射改变了膜形态。结果显示红光波长的激光改性膜改变了原始膜的孔径、孔隙率和亲水性。通过Solidworks CAD/CAM软件进行的"膜表面三维热分析"研究还揭示了膜表面熔融现象,该热分析结果显示98.7%的成功率。
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高分子材料与工程实验方案
1. 实验设计与方法选择:采用不同波长和功率密度的半导体激光二极管对超滤聚醚砜(UP150)膜进行改性。通过水接触角分析、总孔隙率和孔径测量、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)及机械强度测试分析表征形貌变化。 2. 样品选择与数据来源:以截留分子量为150 kDa(MWCO)的多孔平板式聚醚砜(PES)膜作为激光改性的基材。 3. 实验设备与材料清单:使用波长分别为405 nm(Thorlabs/L405P20蓝光)、520 nm(Thorlabs/L520P50绿光)和658 nm(Hitachi/HL6512MG红光)的半导体二极管激光器进行改性。 4. 实验步骤与操作流程:通过不同时间(30、60、90和120分钟)和功率密度(1.5、2.0、2.5 mW)的激光辐照对膜进行改性。改性后的膜采用牛血清白蛋白(BSA)溶液和活性污泥悬浮液进行生物污染测试。 5. 数据分析方法:测定原始膜与改性膜的纯水渗透率(Lp)、接触角、孔隙率及平均孔径,系统研究蛋白质(牛血清白蛋白,BSA)截留率及可溶性微生物产物(蛋白质和碳水化合物组分)的分离情况。
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