高規格柱狀活性炭廠家電調諧超濾實現高效凈水

　　高規格柱狀活性炭生產廠家電調諧超濾實現高效凈水。

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　　傳統超濾(UF)技術面臨膜污染和分離性能有限等問題的挑戰。本研究展示了一種新穎的電輔助強化超濾(EUF)調諧策略，可顯著提升UF過程的分離效率。

　　研究基于一套衍生的EUF系統，通過多周期凈水實驗，揭示了EUF過程的凈水特性和調諧機制。所施加的電調諧操作使平均跨膜壓差增長速率(Rp)降低多達68%，表現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歸因于所施加的電泳力、溶液化學環境變化以及過氧化物氧化等的作用。

　　此外，受益于非法拉第效應(包括電吸附和電泳排斥)和法拉第氧化降解，電調諧操作使污染物截留率提高了多達32%。與常規的電容性去離子(CDI)工藝相比，EUF系統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系統在去除重金屬(Ag、Cu、Pb、Se、Sb)方面也展現出良好的性能。總體上，EUF調諧策略實現了同步除污、脫鹽以及抗污染的高效凈水效果，具有良好的應用前景。

　　研究背景

　　過度追求經濟增長而未充分考慮環境保護已給世界造成了嚴重的水污染危機。

　　膜分離技術由于具有處理效率高，占地面積小等優點，已成為廢水處理領域的主導技術之一。作為最廣泛使用的膜分離技術之一，UF技術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物等。

　　但是，UF技術的進一步發展正面臨諸多困境：(i)膜污染問題;(ii)UF膜的截留能力有限，尤其是對于小尺寸微量有機物等;(iii)UF過程不具備去除鹽分的能力。

　　近年來，基于導電膜的多項研究表明，在膜分離過程中施加電場可以有效減少膜污染的發生。以CDI為代表的電吸附脫鹽技術也受到大量關注。這些研究均啟示了外加電場作用在調控膜分離過程中物質遷移、轉化等方面的積極作用，具有克服UF技術困境，顯著提升UF分離效率的潛力，有望在UF過程中同步實現強化除污、脫鹽以及抑制膜污染的高效凈水效果。但是，相關研究目前鮮見報道。

　　圖文導讀

　　該系統的核心是EUF模組。如圖1A所示，EUF模組包含兩個相對放置的PVDF UF膜。在膜的外部分別放置導電碳布，并通過鈦導體連接至外部電源，每個膜的有效過濾面積為22 cm2。

　　如圖1C所示，在運行過程中，電源取向和跨膜水流流動方向將周期性變動，旨在調節電場作用依次對每片膜進行清潔。

　　多周期EUF實驗中的每個運行周期包括兩個操作階段：(i)開啟電源同時開始電輔助強化凈水階段(15分鐘);(ii)關閉電源(即0V)同時開始濃水排放階段。

　　在每個凈水階段，系統進水不斷被引入EUF池中，同時池中的一部分水被泵送(2 mL min-1)穿過UF膜和碳布(在陰極側)后產出干凈的出水。

　　在每個排放階段，首先關閉所有泵10分鐘，以進行鹽的脫附解吸，隨后開啟錯流泵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)結構圖和(B)照片;(C)EUF系統的周期性交替運行模式示意;(D)EUF系統構成示意圖。

　　電調諧可有效抑制膜污染

　　為了評估電調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下進行了多周期EUF實驗。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進水。如圖2A所示，在凈水階段，跨膜壓差(TMP)隨著過濾的開始逐漸增長，表明膜污染的逐漸發展。所施加的電調諧作用有效減緩了TMP的增長，且施加的電壓越高對應的TMP增長速率越低(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環境變化和過氧化物(H2O2)的產生等。

　　電調諧有助于強化污染物截留性能

　　在EUF過程中，所施加的電調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系統在前三個周期內在所有電壓條件下(即0、0.8、1和1.2V)都能保持相對穩定的除污性能，相應的去除率范圍為40%–77%。六個周期的平均截留率(圖2D)表明，施加的電壓越高對應的污染物截留率略高。盡管對應截留率的增加并不顯著，但仍表明電調諧操作對污染物截留有著積極的作用。污染物截留性能的增強可歸因于非法拉第效應(包括電吸附和電泳排斥)和法拉第反應。

　　電調諧操作可同步進行脫鹽

　　電調諧操作使EUF過程具有脫鹽能力。圖2E展示了EUF的出水鹽濃度變化。由于系統中包含電吸附模塊，EUF系統展現出穩定的脫鹽能力。此外，如圖2F所示，EUF_1.2 V運行時對應的平均脫鹽速率(ASAR)始終比對照運行(即，無膜_1.2 V的運行)的ASAR高，表明其脫鹽性能更強。與CDI對照系統相比，EUF系統具有更強的脫鹽能力(圖3A)。在0.8至1.2 V的電壓范圍內，EUF過程的mSAC比CDI對照過程的高7.9%–43%。這種增強可以歸因于在EUF模組電極之間插入的PVDF膜的介電特性有關。此外，EUF系統還比CDI對照系統實現了更高的充電效率(圖3B)。如圖3C所示(以1.2 V進行測試)，EUF系統在測試期間始終保持較高的ASAR。

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

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

　　總結與展望

　　該研究提出的電調諧策略針對傳統UF工藝在污水處理與回收等領域中發展的局限性，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實現了對污水中有機污染物、鹽分、重金屬等的同步去除，具有廣闊的發展應用前景。

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