吸附-电催化氧化与纳滤法的耦合过程研究

Although nanofiltration membrane technology can be capable of treating non-biodegradable effluent, permeation flux decline due to concentration polarization and fouling is the major obstacle to the NF process. From our study, the crossflow membrane filtration is enhanced by the electrocatalysis oxidate of the membrane surface, but the synergistic mechanism of electrocatalysis and nanofiltration needs further study. We discovered that along with the increase of current density or voltage, the permeation flux is enhanced and tends smooth in the pre-experiment of adding the electro-catalytic caused by Ti/SnO2-Sb2O3 on the surface of DL and DK NF membranes. In addition, based on the recent research, adsorbent modification electrodes can decrease the electron transfer resistance and enhance the adsorptivity of the electrode. Based on the relevant papers and our previous studies, we reasoned that the synergistic of adsorption and electrocatalysis might selective remove unsaturated bonds and hydrophobic components in the dissolved organic matters in addition reduce the NF process resistance and penetration flux decline. We are prepare to make adsorption-electrocatalytic electrodes then clarify the synergistic mechanism through studying the relationships between adsorption, electrocatalysis, concentration polarization and fouling. Finally the coupling procedure is simulated by the Monte-Carlo method and gas-liquid mass transfer-diffusion mechanism. This work will provide a new idea to develop the highly effective and economic wastewater treatment technology.

膜污染和浓差极化限制了纳滤技术在处理难生物降解类废水领域的应用。本课题组研究发现，电催化氧化与纳滤相耦合能够缓解膜污染和浓差极化，但耦合机理有待进一步阐明。在预实验中，我们发现：Ti/SnO2-Sb2O3电极在DL、DK纳滤膜表面进行电催化氧化，渗透通量随电流密度或电压的增加而增加最后达到稳定，但具体影响机理不明。此外，最新研究发现，吸附材料改性电极可以降低电极的电子传递阻力，提高电极的吸附能力。结合文献及既往的工作基础，我们推测吸附协同电催化氧化能去除污染组分中的不饱和键和疏水部分降低过滤阻力和渗透通量衰减。我们拟制备吸附材料改性吸附-电催化电极，从三方面（吸附作用、电催化氧化、膜污染和浓差极化）的相互影响阐明吸附-电催化氧化与纳滤的耦合过程机理，并利用Monte-Carlo法和气液两相传质-扩散机理对耦合过程进行模拟。此研究为开发经济高效废水处理技术提供了新思路。

难生化降解类有机污染废水处理是目前国内外的研究热点之一。电催化氧化法处理有机废水降解彻底并且可控性强，但是电极电流效率会随着有机物浓度降低而减小。纳滤法处理废水的截留率高，但浓差极化和膜污染影响了其工业化应用。.本课题组采用电催化氧化耦合纳滤工艺过程处理废水，提高电极电流效率并抑制浓差极化及膜污染，从而整体提升处理废水的效果。首先系统深入地研究了耦合过程机理，并建立了耦合过程模型，通过实验验证了模型的可靠性；同时也深入分析探讨了电催化氧化的核心影响因素——电催化电极，特别是吸附-电催化电极，从而得到了诸多有益结论。.耦合过程电催化氧化和气泡的扰动作用能缓解纳滤过程的浓差极化和膜污染，电渗、电泳作用对渗透通量的贡献相对较小。在总的渗透阻力中，浓差极化层阻力的比例较大，而凝胶层的较小。电催化作用通过氧化有机污染物，可将浓差极化阻力最多减弱85%，从而增加渗透通量。操作条件对耦合过程的影响较大：（1）电渗通量随电场强度呈线性变化，而电泳通量则呈曲线增长，达到临界电场后趋于稳定；过大的电场强度，不会增加渗透通量，却会增加能耗、降低电极的使用寿命。当操作压差越大、膜面切向流速越低、料液浓度越高时，适宜的电场强度会越大，电催化氧化的促进作用越强；（2）耦合过程的适用浓度有一定的范围，浓度过大，电极会中毒；浓度过低，电极能耗大、电流效率低，成本增加；（3）相比纯纳滤，耦合过程的适宜操作压差高。因此，在实际应用中，开始阶段应采用纯纳滤，随着分离过程的进行，逐步增大耦合过程的电压。耦合过程可采取较高的电压和较低的进料流速，得到较高渗透通量。在保证耦较高渗透通量的前提下，兼顾截留率及能耗情况，跨膜压差不宜过高的。.可通过调控催化层结构形貌以及引入改性材料提升电极性能。分析电极制备方法发现：电沉积法制备的催化层与热分解法相比颗粒均匀细小，催化性能好；而与电沉积制备的电极相比，采用丝网印刷法控制催化层的颗粒尺寸，可使晶粒尺寸减小91.96%、电化学有效表面积增大11.86倍，采用水热反应生成纳米柱形貌，可通过增强电极的吸附性能（最大吸附量增大44.16%、吸附速率增大5.78倍），提升电极的催化性能。分析改性材料发现：掺杂Y元素可增加活性吸附点；引入碳纳米管作导向模板，可使析氧电位提高至2.23 V、寿命提升3.78倍；引入铜纳米柱可电极的电化学阻抗减小84.6%，从而能耗下降24.5%。