【摘 要】
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膜法水处理技术具有出水水质稳定、占地面积小、易于自动化控制等优势,在海水脱盐、污水再生、食品加工领域得到了广泛的运用。然而膜污染的存在直接影响膜分离效能与膜材料使用寿命,是制约膜技术发展的重要问题之一。电化学耦合膜过滤技术是水处理领域中的新兴研究方向,在膜系统中施加电场是控制膜生物污染、提高出水水质的有效且清洁的策略,通过调节污染物与膜面间的相互作用力,能够有效抑制污染物在膜面的沉积,从而减缓膜污
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膜法水处理技术具有出水水质稳定、占地面积小、易于自动化控制等优势,在海水脱盐、污水再生、食品加工领域得到了广泛的运用。然而膜污染的存在直接影响膜分离效能与膜材料使用寿命,是制约膜技术发展的重要问题之一。电化学耦合膜过滤技术是水处理领域中的新兴研究方向,在膜系统中施加电场是控制膜生物污染、提高出水水质的有效且清洁的策略,通过调节污染物与膜面间的相互作用力,能够有效抑制污染物在膜面的沉积,从而减缓膜污染问题。因此,本论文制备了导电性良好且机械性能稳定的碳纤维基聚醚砜（CC/PES）复合膜,构建了电化学CC/PES膜过滤系统工艺,该系统在不同电压作用下能有效的控制生物膜的形成从而缓解膜生物污染,并显著提升出水水质,为解决膜污染问题拓展膜技术应用提供了新的思路。主要研究内容及结论如下:（1）通过相转化法制备了碳纤维基导电复合膜（CC/PES）,分析了复合膜的物理化学性质,结果显示,与原始碳基底相比,CC/PES复合膜具有光滑的表面,表面水接触角由疏水性向亲水性转变,膜面呈现疏松多孔的结构。以铜绿假单胞菌为模型生物污染物,在0 V、+2.0 V、-2.0 V电压作用下,膜面接触角分别为46.08°、37.13°、38.40°,细菌粘附率分别为15.74%、8.51%、8.40%,表明电压越大,电增强润湿性能越好,细菌粘附效率越低。外加电场作用下,电增强润湿作用降低了固液界面间的界面张力,有效抑制了细菌在膜面的粘附。胞外聚合物EPS分析显示电场作用下,细菌分泌的EPS中胞外蛋白质和e DNA的含量降低,继而影响了细菌粘附和生物膜结构的稳定性。（2）膜系统过滤试验显示,过滤初期（前10 min）膜面的污染形成更贴近于滤饼层模型,且菌液浓度越高,拟合程度越明显。电场作用可明显提高CC/PES膜的渗透性能和抗生物污染性能,且施加负电压时的效果优于正电压。负电压电场作用下,膜面的菌体数量明显减少,可能是由于受到静电斥力以及水解产生氢气气泡的屏障协同作用的结果;而当施加正压时,膜面菌体出现皱缩干瘪的现象,主要是受到电场的电化学氧化作用影响而失活。通量变化结果证明在电场作用下,膜过滤系统的渗透性能和抗生物污染性能均有所提升,显示电场作用能够明显抑制微生物的沉积富集,从而抑制生物膜的形成。（3）在地表水过滤实验中,施加电场时的出水水质相比于未施加电场时有明显的提升,施加正压时,总有机碳TOC和浊度的去除率分别提高了30.9%和4.3%;而施加负压时,去除率分别提高了39.3%和4.3%。电场作用下,微生物去除率几乎达到100%。能耗分析表明外加电场并没有增加系统的总体能耗,从长远来看,施加电场进行电化学辅助膜系统过滤,明显减缓了膜污染现象且延长了膜的使用寿命,从而减少系统冲洗和更换膜组件的频次,更具经济成本效益。
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