纳米碳基正渗透中空纤维膜的制备及电化学协同去除水中有机污染物研究

Trace organic compounds (TOrCs), which are frequently detected from natural water, have presented potentially negative effects on the ecological environment and human health. Forward osmosis (FO) is an emerging technology for TOrCs removal with low energy consumption and fouling propensity, but suffers from lack of FO membranes possessing high flux and chemical inertness. Aiming to break this bottleneck, a nanocarbon-based FO hollow fiber membrane with low structure parameter, high flux and good chemical stability is designed, and then integrates with electrochemistry for improving TOrCs removal rate, lowering internal concentration polarization, weakening reverse solute flux, and enhancing fouling resistance. The main contents include: (1) Preparation and characterization of nanocarbon-based FO hollow fiber membranes with optimized structure parameter; (2) Investigating filtration performance of the prepared FO membranes by applying electric potentials; (3) Investigating synthetic effects and mechanisms of integrating FO with electrochemistry on removing TOrCs from water or wastewater. The major objectives of this project are to evaluate the influences of electrochemical assistance on internal concentration polarization, membrane fouling and removal efficiency of TOrCs during the FO processes, elucidate the mechanism of electrochemically assisted FO for TOrCs removal, and provide an alternative approach for water or wastewater treatment.

水体中频繁检出的痕量有机污染物(TOrCs)具有难降解性、生物累积性和高毒性，已对生态环境和人体健康产生潜在性危害。因此，急需去除TOrCs的水处理技术。正渗透能够有效截留水体中TOrCs，具有能耗低、污染轻、易清洗等优点，但缺乏通量高、化学稳定性好的正渗透膜是限制该技术推广的主要瓶颈。本项目提出利用纳米碳材料制备低结构参数、高通量且耐化学腐蚀的正渗透中空纤维膜，并通过耦合电化学作用高效去除水体中TOrCs，抑制驱动溶质逆向扩散和膜污染形成，提高出水通量。主要研究内容包括：制备性能可控的低结构参数纳米碳材料基正渗透中空纤维膜；建立正渗透水处理性能与电化学作用之间的相关性，揭示电化学作用对正渗透过程中内浓差极化、驱动溶质逆向扩散、膜污染和TOrCs去除率等的作用规律，阐明电化学与正渗透协同水处理强化机理。本项目的研究可为电化学辅助正渗透深度水处理技术的推广提供理论和技术基础。

本项目以开发高性能正渗透分离膜用于水处理为目的，通过改变支撑层结构、活性层的完整性及预留汲取溶质等方式提高正渗透膜的渗透性及选择性，并发挥纳米碳材料的导电性，耦合正渗透与电化学作用增强抗膜污染性能。碳纳米管具有优异的机械性能、吸附性能和物化抗性，通过湿法纺丝技术制备出高通量(~5000 LMH/0.6 bar)、高填充密度的碳纳米管中空纤维基底层。基底层不仅具有一维纳米材料构建的交错网状孔结构，还具有相转化过程中形成的指状孔结构，孔隙率高(>90%)和孔曲折度低，膜壁厚度可控(90~140 μm)。以结构参数为126 μm的碳纳米管中空纤维为基底层构建界面活性层，在相同水力条件下产水量是商业正渗透膜的4.7倍(FO模式)和3.6倍(PRO模式)。进一步在该膜上施加电偏压发现将正渗透与电化学作用耦合，静电排斥作用有效延缓细菌和腐殖质等负电性污染源向膜侧的移动，抑制膜污染形成，其在FO 模式下产水率较无电情况下可提高15~20%。在PRO模式中，污染源进入支撑层的问题也得到有效控制，加电后的产水率可提高30~40%，表明电化学辅助作用可解决PRO模式下的膜污染问题。随后，利用该正渗透膜在PRO模式处理油水时发现通量可提高50%，能耗仅为0.6 kWh/t产水。项目中进一步利用电泳沉积法在碳纳米管中空纤维支撑层表面制备了50 nm厚的还原石墨烯活性层，其水通量可达22.6 LMH (0.5 M NaCl作为驱动液)，是商品正渗透膜的3.3 倍。溶质逆扩散量仅为1.6 gMH，低于商品正渗透膜的2.2 gMH。鉴于双活性层膜具有低污染趋势优点，但渗透量低的问题，项目在双活性层正渗透膜的支撑层中预留汲取溶质实现对渗透通量的调控。水通量能提高14.58%，同时表现出了良好的抗膜污染性能。静电纺纳米纤维基底具有超低的结构参数，但其大孔径不利于完整活性层的形成。通过在聚活性层和支撑层之间引入碳纳米管中间层制备了一种新型复合FO膜。所得FO膜较未改性膜，在AL-DS模式下的水通量提高了83.55%，汲取溶质逆扩散量降低了75.58%。