四川大学刘百仓教授团队：颗粒活性炭(GAC)固定床吸附-超滤用于页岩气废水内部回用

四川大学刘百仓教授团队近期于期刊Environmental Research发表题为“颗粒活性炭(GAC)固定床吸附-超滤用于页岩气废水内部回用”的文章。该文章的共同第一作者为本科生梁嘉欣、本科生谢天荞，通讯作者为刘百仓教授。

研究亮点

1.  探索了 GAC 固定床 -UF 工艺用于 SGFPW 的内部再利用。

2.  评估了 EBCT 对 GAC 固定床性能的影响。

3.  通过固定床处理，浊度和 DOC 降低  > 98.0%  和  > 33.7% 。

4. GAC 固定床吸附可有效减少 UF 膜污染。

5.  通过降低了污染物的亲水性来减轻超滤膜污染。

文章简介

膜工艺广泛应用于页岩气返排液和采出水（ SGFPW ）再利用。然而，颗粒物和有机物会加剧膜污染，这是 SGFPW 再利用的主要限制因素之一。

本研究首次提出使用颗粒活性炭（ GAC ）结合超滤（ UF ）进行固定床吸附，以研究处理性能和膜污染机理。 Temkin 等温线模型和伪二级动力学模型最好地描述了 GAC 对 SGFPW 的吸附。

不同空床接触时间（ EBCT ）（ 30 、 60 和 90 min ）的 GAC 固定床预处理对溶解有机碳（ DOC ）和浊度的去除率显著，分别为 34.7%~42.4% 和 98.1%~98.9% 。根据超滤膜污染层的表征，颗粒物和有机物是造成膜污染的主要物质。

经 GAC 固定床处理后，总污染指数（ TFI ）和水力不可逆污染指数（ HIFI ）分别下降 32.5% 和 18.3% 以上，显示了 GAC 固定床对膜污染的缓解作用。

根据 XDLVO 理论， GAC 固定床还通过减少污染物与超滤膜之间的疏水相互作用来减轻膜污染。 GAC 固定床 -UF 工艺处理的出水水质符合 SGFPW 内部回用水质标准，是 SGFPW 回用的有效技术。

图1. GAC对SGFPW中DOC的批量吸附和固定床吸附。 (a) GAC用量在8小时内DOC吸附量和去除率的影响。 (b) GAC在12小时内吸附DOC的动力学模型和拟合曲线。 (c) GAC在12小时内吸附DOC的等温模型和拟合曲线。 (d)三种不同EBCT的GAC固定床对SGFPW中DOC吸附的穿透曲线。

图2. GAC固定床对SGFPW吸附前后的荧光EEM光谱。 (a) EBCT为30分钟的出水。 (b) EBCT为60分钟的出水。 (c) EBCT为90分钟的出水。 (d) GAC固定床吸附前的SGFPW原水。 (e) 吸附前后的荧光EEM光谱计算的最大荧光强度(F _max )。

图3. 通过三种不同EBCT(30、60、90 min)的GAC固定床处理前后SGFPW的TMP变化(a)及TFI和HIFI变化(b)。

图4. 超滤膜表面污染的SEM-EDS分析。 (a) GAC固定床处理前的SGFPW。 (b) EBCT为30分钟GAC固定床处理后的SGFPW。 (c) EBCT为60分钟GAC固定床处理后的SGFPW。 (d) EBCT为90分钟GAC固定床处理后的SGFPW。

图5. GAC固定床处理前后污染物与UF膜之间的水接触角(a)、表面张力(b)和界面粘结力自由能(c)。

图6. 不同阶段出水的不同污染物浓度。(a) 浊度；(b) 溶解性总固体(TDS)；(c) DOC；(d) UV ₂₅₄ ；(e) GAC固定床吸附前后SGFPW离子浓度。

（来源：百仓团队）

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