高規(guī)格柱狀活性炭廠(chǎng)家電調(diào)諧超濾實(shí)現(xiàn)高效凈水

　　高規(guī)格柱狀活性炭生產(chǎn)廠(chǎng)家電調(diào)諧超濾實(shí)現(xiàn)高效凈水。

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　　傳統(tǒng)超濾(UF)技術(shù)面臨膜污染和分離性能有限等問(wèn)題的挑戰(zhàn)。本研究展示了一種新穎的電輔助強(qiáng)化超濾(EUF)調(diào)諧策略，可顯著提升UF過(guò)程的分離效率。

　　研究基于一套衍生的EUF系統(tǒng)，通過(guò)多周期凈水實(shí)驗(yàn)，揭示了EUF過(guò)程的凈水特性和調(diào)諧機(jī)制。所施加的電調(diào)諧操作使平均跨膜壓差增長(zhǎng)速率(Rp)降低多達(dá)68%，表現(xiàn)出良好的抑制膜污染的能力。

　　這一膜污染的抑制效果可主要?dú)w因于所施加的電泳力、溶液化學(xué)環(huán)境變化以及過(guò)氧化物氧化等的作用。

　　此外，受益于非法拉第效應(yīng)(包括電吸附和電泳排斥)和法拉第氧化降解，電調(diào)諧操作使污染物截留率提高了多達(dá)32%。與常規(guī)的電容性去離子(CDI)工藝相比，EUF系統(tǒng)的脫鹽能力也獲得顯著提升，其鹽吸附容量提高了~43%。

　　此外，EUF系統(tǒng)在去除重金屬(Ag、Cu、Pb、Se、Sb)方面也展現(xiàn)出良好的性能。總體上，EUF調(diào)諧策略實(shí)現(xiàn)了同步除污、脫鹽以及抗污染的高效凈水效果，具有良好的應(yīng)用前景。

　　研究背景

　　過(guò)度追求經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)而未充分考慮環(huán)境保護(hù)已給世界造成了嚴(yán)重的水污染危機(jī)。

　　膜分離技術(shù)由于具有處理效率高，占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，已成為廢水處理領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)之一。作為最廣泛使用的膜分離技術(shù)之一，UF技術(shù)可以在溫和條件下有效去除病原微生物、顆粒物以及大尺寸有機(jī)物等。

　　但是，UF技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展正面臨諸多困境：(i)膜污染問(wèn)題;(ii)UF膜的截留能力有限，尤其是對(duì)于小尺寸微量有機(jī)物等;(iii)UF過(guò)程不具備去除鹽分的能力。

　　近年來(lái)，基于導(dǎo)電膜的多項(xiàng)研究表明，在膜分離過(guò)程中施加電場(chǎng)可以有效減少膜污染的發(fā)生。以CDI為代表的電吸附脫鹽技術(shù)也受到大量關(guān)注。這些研究均啟示了外加電場(chǎng)作用在調(diào)控膜分離過(guò)程中物質(zhì)遷移、轉(zhuǎn)化等方面的積極作用，具有克服UF技術(shù)困境，顯著提升UF分離效率的潛力，有望在UF過(guò)程中同步實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化除污、脫鹽以及抑制膜污染的高效凈水效果。但是，相關(guān)研究目前鮮見(jiàn)報(bào)道。

　　圖文導(dǎo)讀

　　該系統(tǒng)的核心是EUF模組。如圖1A所示，EUF模組包含兩個(gè)相對(duì)放置的PVDF UF膜。在膜的外部分別放置導(dǎo)電碳布，并通過(guò)鈦導(dǎo)體連接至外部電源，每個(gè)膜的有效過(guò)濾面積為22 cm2。

　　如圖1C所示，在運(yùn)行過(guò)程中，電源取向和跨膜水流流動(dòng)方向?qū)⒅芷谛宰儎?dòng)，旨在調(diào)節(jié)電場(chǎng)作用依次對(duì)每片膜進(jìn)行清潔。

　　多周期EUF實(shí)驗(yàn)中的每個(gè)運(yùn)行周期包括兩個(gè)操作階段：(i)開(kāi)啟電源同時(shí)開(kāi)始電輔助強(qiáng)化凈水階段(15分鐘);(ii)關(guān)閉電源(即0V)同時(shí)開(kāi)始濃水排放階段。

　　在每個(gè)凈水階段，系統(tǒng)進(jìn)水不斷被引入EUF池中，同時(shí)池中的一部分水被泵送(2 mL min-1)穿過(guò)UF膜和碳布(在陰極側(cè))后產(chǎn)出干凈的出水。

　　在每個(gè)排放階段，首先關(guān)閉所有泵10分鐘，以進(jìn)行鹽的脫附解吸，隨后開(kāi)啟錯(cuò)流泵5分鐘將濃縮后的廢液從橫流腔室中排出。

　　圖1. EUF模組的(A)結(jié)構(gòu)圖和(B)照片;(C)EUF系統(tǒng)的周期性交替運(yùn)行模式示意;(D)EUF系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。

　　電調(diào)諧可有效抑制膜污染

　　為了評(píng)估電調(diào)諧操作抑制膜污染的能力，分別在0 V，0.8 V，1 V和1.2 V下進(jìn)行了多周期EUF實(shí)驗(yàn)。使用三種典型的模型污染物(包括SA，BSA和HA)制備合成廢水作為系統(tǒng)進(jìn)水。如圖2A所示，在凈水階段，跨膜壓差(TMP)隨著過(guò)濾的開(kāi)始逐漸增長(zhǎng)，表明膜污染的逐漸發(fā)展。所施加的電調(diào)諧作用有效減緩了TMP的增長(zhǎng)，且施加的電壓越高對(duì)應(yīng)的TMP增長(zhǎng)速率越低(圖 2B)，表明膜污染抑制效果更好。這一抑制效果可歸因于所施加的電泳力排斥、溶液pH環(huán)境變化和過(guò)氧化物(H2O2)的產(chǎn)生等。

　　電調(diào)諧有助于強(qiáng)化污染物截留性能

　　在EUF過(guò)程中，所施加的電調(diào)諧作用可提供輔助截污的作用。圖2C顯示了EUF操作期間的出水TOC濃度變化。總體上，EUF系統(tǒng)在前三個(gè)周期內(nèi)在所有電壓條件下(即0、0.8、1和1.2V)都能保持相對(duì)穩(wěn)定的除污性能，相應(yīng)的去除率范圍為40%–77%。六個(gè)周期的平均截留率(圖2D)表明，施加的電壓越高對(duì)應(yīng)的污染物截留率略高。盡管對(duì)應(yīng)截留率的增加并不顯著，但仍表明電調(diào)諧操作對(duì)污染物截留有著積極的作用。污染物截留性能的增強(qiáng)可歸因于非法拉第效應(yīng)(包括電吸附和電泳排斥)和法拉第反應(yīng)。

　　電調(diào)諧操作可同步進(jìn)行脫鹽

　　電調(diào)諧操作使EUF過(guò)程具有脫鹽能力。圖2E展示了EUF的出水鹽濃度變化。由于系統(tǒng)中包含電吸附模塊，EUF系統(tǒng)展現(xiàn)出穩(wěn)定的脫鹽能力。此外，如圖2F所示，EUF_1.2 V運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)的平均脫鹽速率(ASAR)始終比對(duì)照運(yùn)行(即，無(wú)膜_1.2 V的運(yùn)行)的ASAR高，表明其脫鹽性能更強(qiáng)。與CDI對(duì)照系統(tǒng)相比，EUF系統(tǒng)具有更強(qiáng)的脫鹽能力(圖3A)。在0.8至1.2 V的電壓范圍內(nèi)，EUF過(guò)程的mSAC比CDI對(duì)照過(guò)程的高7.9%–43%。這種增強(qiáng)可以歸因于在EUF模組電極之間插入的PVDF膜的介電特性有關(guān)。此外，EUF系統(tǒng)還比CDI對(duì)照系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了更高的充電效率(圖3B)。如圖3C所示(以1.2 V進(jìn)行測(cè)試)，EUF系統(tǒng)在測(cè)試期間始終保持較高的ASAR。

　　圖2. 六周期凈水實(shí)驗(yàn)中不同電壓條件下的EUF處理性能：(A)TMP變化，(B)TMP增長(zhǎng)速率，(C)出水TOC濃度，(D)污染物截留率，(E)脫鹽行為，(F)脫鹽速率對(duì)比。

　　圖3. 在不同電壓下EUF和CDI對(duì)照系統(tǒng)之間的(A)mSAC、(B)充電效率(Λ)和(C)ASAR的對(duì)比。

　　總結(jié)與展望

　　該研究提出的電調(diào)諧策略針對(duì)傳統(tǒng)UF工藝在污水處理與回收等領(lǐng)域中發(fā)展的局限性，基于提出了一種低耗高效的耦合凈水解決方案，在有效抑制膜污染的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)污水中有機(jī)污染物、鹽分、重金屬等的同步去除，具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。

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