压力驱动膜电化学反应器提升膜蒸馏处理高盐有机废水效能

文摘   2024-06-28 10:54   上海  
福州大学土木工程学院范功端教授团队近期于Desalination期刊(2024, 582, 117619)发表题目为Enhancing membrane distillation efficiency in treating high salinity organic wastewater: A pressure-driven membrane electrochemical reactor approach的文章。该文章第一作者为陈肖磊硕士研究生,通讯作者为鄢忠森副研究员、范功端教授。

【研究亮点】

  • 超滤膜表现出良好的电化学性能,且超滤膜电化学反应器没有发生有机物渗透。

  • 膜电化学反应器显著减少了实际废水中络合物的含量和颗粒尺寸。

  • 实际废水经超滤膜电化学反应器处理后,膜蒸馏的通量可维持97%

  • 使用超滤膜电化学反应器节省了27%的预处理能耗,以及39.6%的膜蒸馏能耗。

【文章简介】

尽管膜电化学反应器(MER)可以有效缓解膜蒸馏(MD)处理高盐度有机废水(HSOW)过程中的膜污染问题,但MER中使用的高成本质子交换膜(PEM)限制了其应用。本研究引入廉价的压力驱动膜替代PEM,建立了用于HSOW预处理的压力驱动膜电化学反应器,强化MD的膜污染控制。分别以超滤膜(UFM)和反渗透膜(ROM),开发了UFMERROMER两种MER。由于UFM具有优越的电化学性能,在模拟的HSOW处理中,UFMER相比于PEMER节省了43%的能量,且有机物的去除率最高(~85%)。在处理实际废水——垃圾渗滤液的纳滤浓缩液(NC)中,使用UFMER显著减少了废水中络合物的含量和尺寸,有助于MD系统维持最高的比通量(97%)和脱盐率(>99%),且膜清洗后的比纯水通量恢复率最高(99.6%)。UFMER相比PEMERMER预处理中节约了~27%的能量,并在MD后处理中节约了~39.6%的能量。因此,此策略在降低MER的膜成本和降低MERMD的能耗方面具有实际应用潜力。

1展示了MERMD耦合处理实际HSOW的工艺流程。废水经MER酸化、氧化预处理后进入MD系统处理。

1. MER-MD系统示意图

UFMROMPEM的电化学性能进行比较。UFM在电化学属性上具有优势。UFM在短期内具有最快的pH调控速率(图2a));在高盐溶液中具有最高的电流密度(图2b));相同应用电压下具有最快的电压响应(图2c));以及最接近原液(未加入隔膜)的电压电流关系(图2d))。

2. 三种膜的电化学性能对比:(apH调控,b)电流密度(cLSV曲线,(d)电压电流关系

对比不同预处理下的实际废水处理效果效果,发现废水经UFMER-MD处理后,MD膜的比通量维持97%以上(图3a))。UFMER-MD运行后的膜,经纯水清洗后可恢复99.6%的通量(图3b))。根据水质差异性分析得出:MER可以大幅度减少络合物的数量和尺寸(图3c-d))。MER的酸化会抑制无机结垢但也使得Zeta电位正移,其中ROMER系统可能更容易发生颗粒的聚集(图3e))。

3. MER-MD处理实际废水:(aMD的比通量,(bMD清洗恢复情况;MER处理的废水中:(c)络合物含量,(d)粒径大小,(eZeta电位

4展示了MER-MD处理实际废水的能耗。在MER中,使用UFM替代PEM在每周期可节省~27%的能耗(图4b))。在MD中,运行UFMER-MD的能耗最低,相比于未处理的废水节省了~39.6%的能耗(图4d))。MER可以以较小的能耗大幅降低MD的能耗,MD的热能可以依靠废热提供,而剩余的冷却能耗占比11.1%(图4acd))。

4. 处理实际废水的MER能耗:(a)绝对值,(b)百分比;MD能耗:(c)绝对值,(d)百分比。

原文信息:

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117619

第一作者:

陈肖磊 硕士研究生

工作单位:福州大学土木工程学院(市政工程专业)

邮箱地址:chenxiaolei32@163.com

通讯作者:

鄢忠森 副研究员

博导,市政工程系主任助理,福建省高层次人才(B类),旗山学者。主要从事膜法水处理技术与原理(膜蒸馏、超滤、纳滤)、废水资源化处理研究、水处理纳米材料等方向研究,主持国家自然科学基金面上项目、青年科学基金、福建省自然基金青创联合项目、中国博士后面上项目等多项课题研究。截止目前,累计发表学术论文60余篇,其中SCI论文40余篇,授权国家专利10余项。

工作单位:福州大学土木工程学院

通讯邮箱:Talent3712@126.com

网址:

https://civil.fzu.edu.cn/info/1525/14244.htm

通讯作者:

范功端 教授

博导,福建省雏鹰计划青年拔尖人才,福建省杰青,旗山学者,福州大学研究生院院长助理兼土木工程学院市政工程系主任,福州大学市政与水环境工程研究中心主任。主要从事饮用水安全保障技术、水污染控制与治理、海绵城市建设和水体生态修复、水处理纳米材料与技术等研究,在国内外重要刊物发表学术论文150多篇,其中SCI收录100余篇,获得专利授权40余项,以第一完成人获中国发明协会创业创新奖一等奖和福建省科技进步二等奖各1项。

通讯邮箱:fgdfz@fzu.edu.cn

网址:

https://civil.fzu.edu.cn/info/1389/14045.htmh


本期编辑:郑利兵(中国科学院生态环境研究中心)


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