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.pdf

摘要 摘要 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pH 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（mSAC ） 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mSAC 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。 关键词：电容去离子，超滤，污水再生回用，脱盐，导电膜 I 目录 目录 1 绪论 1 1.1 课题来源及研究背景 1 1.1.1 课题来源 1 1.1.2 课题研究背景 1 1.2 膜分离技术简介2 1.2.1 膜分离技术概述2 1.2.2 膜污染及其控制方法4 1.2.3 电辅助抗污染研究进展6 1.3 CDI 技术7 1.3.1 CDI 基本原理7 1.3.2 电极材料研究现状9 1.3.3 CDI 装置构型及运行方式 10 1.3.4 CDI 的限制因素 13 1.4 CUF 技术的构建思路 13 1.5 课题的研究目的与研究内容 14 1.5.1 研究意义与目的 14 1.5.2 研究内容 14 1.5.3 技术路线 15 2 实验材料与方法 16 2.1 实验试剂与仪器 16 2.1.1 实验试剂 16