电容去离子强化超滤耦合系统的污水再生特性与机制研究

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传统超滤(UF)技术存在膜污染和截留能力有限的问题,难以满足新时期污水再生领域的可持续发展需求。本论文以低耗高效的集约型污水再生技术为研究目标,将电辅助抗污染UF技术和电容去离子(CDI)技术进行有机整合,提出了一种新型的CDI强化UF(CUF)耦合净水技术。研究基于不同电极材料,从抗污染、除污和脱盐三个角度系统考察了CUF过程的协同净水特性,并解析了CUF过程的净水机理和运行机制。基于碳纤维电极和聚偏氟乙烯膜构建了一套CUF系统。一系列多周期净水实验结果表明,在外加电压作用下,CUF系统的平均跨膜压差(TMP)增长率最高降低了约68%,表明膜污染的发展受到明显抑制,这主要归因于外加电场的电泳力排斥作用和溶液p H变化引起的吸附型污染阻滞效应。确定1.2 V为抑制膜污染的最优电压。由于电泳力排斥和电吸附作用,CUF的平均污染物截留率与对照(0 V)实验相比最高提升了约32%(1.2 V时)。受益于UF膜的污染物截留和介电属性,CUF系统的脱盐能力也显著增强,其最大盐吸附容量(m SAC)比CDI对照系统增长了最高约43%。此外,CUF系统在去除重金属(Ag、Cu、Pb、Se和Sb)方面也具有良好的表现。针对CUF电极脱盐性能较低等不足,通过在交叉堆叠而成的超顺排碳纳米管(SACNT)膜表面涂覆活性炭(AC),制备了一种新型的SACNT/AC复合电极。CDI测试结果表明,与AC对照电极相比,SACNT/AC电极的m SAC和平均盐吸附速率均增长了约一倍。CUF测试结果表明,其在0.8 V、1.0 V和1.2 V电压下的平均TMP增长速率比对照0 V条件的增长速率降低了约一倍,且保持了良好的除污和脱盐能力,整体上展现出良好的协同净水性能。基于模型污染物和典型无机盐,系统考察了CUF过程的协同运行机制。结果表明,CUF过程的净水效果与盐溶液中污染物的荷电属性有关。无机盐通过影响CUF的系统内阻,并与污染物竞争电极表面的吸附位点,从而影响系统的污染抑制和除污特性。有机污染物可基于络合作用促进Ca2+离子的去除,但大尺寸络合物的形成则可能加重膜污染,需针对进水特点进行综合调控。
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