电催化膜反应器处理污水的机理和优化原理研究

本项目旨在研究并创新污水高效、低耗处理的电化学催化膜方法，通过膜技术和电化学催化方法的有机结合，解决两种污水处理方法的能量效率和反应器效率的共性技术关键。项目的创新之处在于通过电催化膜反应器将膜分离和电化学催化过程在同一反应器实现，将膜过滤的推动力同时用作电化学催化过程的传质推动力，电化学催化过程的副反应析出的气体用于抑制膜污染，实现能量高效化。溶解性污染物的电化学催化降解在膜孔道内进行，有效提高污染物与电极表面接触频次，实现反应器高效化。针对这一新方法的关键问题，深入研究影响过程和反应器效率的关键因素，着重研究膜的结构特性与电化学催化活性的构效关系、析气对浓差极化的影响和膜污染动力学及溶解性污染物降解机理，在此基础上阐明反应器和过程优化原理及方法。丰富水污染控制理论及技术，推动污水处理向着节能、高效和高回用率方向发展。

目前，膜分离技术在水质净化中得到了广泛应用，但是，多孔膜过滤只能去除颗粒污染物，致密膜在去除溶解性污染物时阻力大能耗高；电催化可用于去除水中溶解性污染物和难以生物降解的污染物，但是反应器效率不理想。针对这一问题，项目开展了电催化膜净化水中污染物的研究。着重研究了电催化膜结构对污染物降解效率的影响、溶解性污染物降解动力学、电催化对膜污染的影响及电催化膜的腐蚀及策略。研究发现，在应用电催化膜反应器净化水中污染物时，电催化过程可以有效减少膜污染，提高膜过滤通量，在膜过滤去除颗粒污染物的同时，电催化降解溶解性污染物。作为电催化的反应器，电催化膜的孔径对溶解性污染物单程降解效率有重要影响，孔径越小，溶解性污染物在通过孔道时接触孔壁（电极）的几率越高，单程降解率越高。关于膜污染的研究发现，虽然电催化膜在应用时可以改善过滤造成的膜污染，通过电催化作用提高通量，但是膜污染仍然存在，并且和单纯的膜过滤过程的膜污染机理不同。除了在膜表面形成滤饼层和堵孔作用之外，由于电催化氧化过程中发生了电化学聚合，在膜表面和孔道内会发生聚合物沉积，引起膜污染和电化学活性降低。这种聚合物沉积引起的活性降低会直接导致溶解性污染物的降解效率下降，矿化效率下降更加明显。采用合适的操作方式可以有效改进这种由于表面钝化污染造成的污染物降解效率和矿化效率的下降。以苯酚为溶解性模型污染物，研究了其降解动力学，发现其在电催化膜中的降解符合一级动力学，并且苯酚的分解速率大于矿化速率。电催化膜面临的瓶颈问题是膜的腐蚀问题，防腐蚀层的构建可以延缓这种腐蚀，后续的研究重点应该侧重抗腐蚀膜的研究。