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高效缓解膜污染:基于碳纳米管材料的电膜耦合技术

时间:2019-08-13 12:22:55 来源:IWA国际水协会 作者:

膜分离技术作为一种新型、高效的分离技术在废水的处理方面起着举足轻重的作用。在污水处理进程中,膜分离和其他工艺的有效结合一方面极大的提高了出水的水质,另一方面简化了整个系统的操作和运行,管理方便。然而,膜污染问题却始终是不可忽视的技术难题。膜污染造成膜材料通量下降,跨膜压差升高,给系统的操作运行带来了阻碍,同时膜材料的清洁或替换也提高了操作成本。因此,寻找一种从源头上控制膜污染的方法成为了当务之急。

图1. 碳纳米管中空纤维膜的表面及截面形貌图:(a,b) 膜表面; (c, d) 膜截面

针对上述问题,采取电化学技术和膜材料结合的手段可在源头上控制膜污染:电化学排斥作用可排斥带有相同电荷的污染物质,使其远离材料;电化学氧化技术可直接氧化去除粘附在膜材料上的污染物质。电膜耦合技术的核心膜材料也对处理系统的性能起着至关重要的影响。碳纳米管中空纤维膜(carbonnanotubes hollow fiber membranes, CNTs-HFMs),电化学性能优异,中空结构对空间利用率较高,与此同时,碳纳米管的管状构型在形成膜材料的时候可交联缠绕形成网状结构,极大的提高了膜材料的通量和对污染物质的截留效果。而用碳材料作为膜材料弥补了金属材料在电化学条件下会释放金属离子的缺陷和导电聚合材料的通量低的问题。如图1所示为以碳纳米管形成的碳纳米管中空纤维膜的表面及截面形貌,观察可知,该膜材料具备上述交织缠绕的结构优势,且形成的膜材料材料分布均一,未发现结构塌陷。在前期的工作中[1-3],大连理工大学乔森教授课题组分别验证了碳纳米管中空纤维膜在电化学排斥和电化学氧化作用的强化下,对处理过程中膜污染的缓解和出水增强的实际效果以及机理,并以此为基础,首次采取以电化学强化的碳纳米管中空纤维膜作为基本的分离单元分别构建了电膜耦合系统(厌氧系统和好氧系统),并对该新型系统的整体性能进行了评价。

图2. 厌氧系统中电化学强化碳纳米管中空纤维膜增强出水水质及缓解膜污染机理图(1. 带负电的污染物质, 2. 凝胶团,污泥絮体或大分子污染物质,3. 水)

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