WR：在新型电凝聚膜阴极反应器中通过耦合凝聚和电动效应缓解膜污染

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第一作者：Boyang Yu

通讯作者： 田家宇、 胡承志

通讯单位：河北工业大学、中国科学院生态环境研究中心

论文 DOI ： 10.1016/j.watres.2022.118378

图文摘要

具有高效防污和低维护的膜反应器是分布式膜水处理的理想选择。 最近，河北工业大学田家宇老师、中国科学院生态环境研究中心 胡承志 老师 团队 在 Water Research 期刊上发表题为“ Mitigating membrane fouling by coupling coagulation and the electrokinetic effect in a novel electrocoagulation membrane cathode reactor ”的文章。 在这项研究中， 构建了一种新型膜分离反应器，以铝阳极和导电膜为阴极，以开发一种通过电凝聚和电动效应来减轻膜污染的无化学方法。腐植酸（HA）和膜阴极之间的静电排斥减少了HA污垢在膜上的粘附，从而有助于初始阶段的防污。电场诱导的电凝聚和极化扩大了HA-Al絮凝物，防止了膜孔堵塞并促进了多孔饼层的形成，从而导致电凝聚膜阴极反应器 (ECMCR) 在稳定阶段的高水通量。膜阴极上析氢产生的气泡冲刷了HA污垢并冲掉了致密的滤饼层，从而在缓解膜污染方面发挥了重要作用。与膜过滤相比，ECMCR的膜阴极反应器、膜阳极反应器和HA去除率分别提高了9.6、8.3和2.8倍，而跨膜压力分别降低了84.6%、21.5%和63.0%。电凝聚和电动效应的协同作用为ECMCR提供了一种可行的防污方法，提高了出水质量，且维护成本低。

图文导读

2. ECMCR的性能

Fig. 2. Humic acid (HA) removal (a) and transmembrane pressure (TMP) profiles (b) of the electrocoagulation membrane cathode reactor (ECMCR), membrane anode reactor (MAR), membrane cathode reactor (MCR), and membrane filtration (MF) alone. The current density was 10 A/m 2  and the initial electric field strength was 2.50 V/cm. The initial pH of the feed water was 7.

3. 电化学反应防污

Fig. 3. (a) Transmembrane pressure (TMP) variation under different current densities in the electrocoagulation membrane cathode (ECMCR). Variation of the (b) mean floc sizes, (c) zeta potential, and (d) Al 3+  concentration in the ECMCR at different current densities, respectively. The initial electric field strength was 2.50 V/cm. The initial pH of the feed water was 7.

Fig. 4. EEM images of the mixture in the electrocoagulation membrane cathode reactor (ECMCR) with current densities of (a) 0, (b) 2, (c) 5, and (d) 10 A/m 2 . A 10 mL mixture was obtained after the 40 min test, followed by filtration through a 0.45 μm filter.

Fig. 5. (a) LSV scan of the Ti membrane serving as the cathode with a scan rate of 5 mV/s. (b) Relative potential (vs. Ag/AgCl) of the conductive Ti membrane and predicted H 2  production under various current densities.

4.  通过电动效应防污

Fig. 6. Transmembrane pressure (TMP) profiles in the electrocoagulation membrane cathode reactor (ECMCR) under various electric field strengths. 

Fig. 7. Scanning electron microscopy (SEM) images (a–c) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) spectra (d) of the cake layers under applied  electric field strengths  of 1.25, 2.50, and 5.00 V/cm. Cake layers were peeled from the Ti membrane after storing in a freezing dryer for 24 h.

Fig. 8. (a) TMP profiles of the ECMCR and MF at long-term operation. The current density of ECMCR was 5 A/m 2,  and the initial electric field strength was 5.00 V/cm. The initial pH of the feed water was 7. (b) Schematic diagram of the proposed antifouling mechanisms of the membrane cathode.

本研究建立了一种由导电钛管微滤阴极和铝牺牲阳极组成的新型ECMCR，在减少膜污染和改善出水水质方面表现出良好的性能。 与MF、MCR和MAR相比，ECMCR对HA的去除率分别提高了9.6、8.3和2.8倍，而TMP分别降低了84.6%、21.5%和63.0%。在初始阶段，静电排斥和析氢产生的气体冲刷降低了HA在膜阴极上的附着力，从而有助于ECMCR的膜污染缓解。随后，由于电场诱导的电凝聚和极化增加了HA-Al絮凝物的尺寸，防止了膜孔堵塞，有利于形成多孔饼层，从而提高了ECMCR的水通量。此外，析氢产生的气泡会冲掉一些致密的饼层，从而保持ECMCR的水通量。凝聚和电动现象对ECMCR的协同作用是减轻膜污染和改善出水质量的有前途的技术。在未来的研究中，需要研究ECMCR中电凝聚和超滤启动之间的时间差，以确保电解Al3+转化为絮状物形成多孔饼层，而不是由Al3+水解和沉淀堵塞造成的不可逆膜污染在膜孔中。

文献信息：

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