【摘要】：水資源和能源短缺已經(jīng)成為全球面臨的共同挑戰(zhàn),因此需要發(fā)展新型的低能耗和低成本的凈水技術(shù),通過廢水回用和海水淡化增加淡水和能源的供應(yīng),實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。正滲透(FO)作為近年來新興的膜分離技術(shù)引起了廣泛關(guān)注。FO是利用膜兩側(cè)溶液的滲透壓差驅(qū)動水分子自發(fā)的透過半透膜,得到干凈的水。相比較壓力驅(qū)動膜技術(shù),正滲透過程無需外加壓力,具有低能耗、低污染、能實現(xiàn)高質(zhì)量水回收等優(yōu)點。然而目前正滲透的研究主要集中在實驗室階段,在廢水資源化和能源化的應(yīng)用還面臨一些正滲透工藝的優(yōu)化和選擇、膜污染、膜傳質(zhì)屬性等問題,因此需要對正滲透過程進行深入研究,為其進一步在廢水資源化和能源化中的應(yīng)用提供重要的信息和技術(shù)支撐。近年來微生物燃料電池(MFC)作為備受關(guān)注的集成污水處理和能源回收的新型技術(shù),它是利用微生物催化氧化有機物直接轉(zhuǎn)化為電能。然而限制MFC的應(yīng)用一個重要因素是高效、低成本和耐污染的分離器。針對以上問題,本論文集成正滲透-微生物燃料電池(FO-MFC)工藝在廢水資源化和能源化的研究,詳細比較FO膜、陽離子交換膜(CEM)和陰離子交換膜(AEM)分別作為MFC體系分離器的電化學(xué)性能,深入探討FO膜提高MFC產(chǎn)電性能的機制。并考察FO-MFC在長期運行過程中膜污染對FO-MFC產(chǎn)電性能的影響及其機制,討論膜污染加快離子擴散的背后機制。本文進一步考察正滲透膜過程回收厭氧產(chǎn)酸發(fā)酵液的營養(yǎng)物的研究。系統(tǒng)探討發(fā)酵液pH,水通量水平和膜朝向?qū)I養(yǎng)物VFA、N和P截留變化;揭示FO膜在發(fā)酵液處理過程中的營養(yǎng)物傳質(zhì)屬性。同時,正滲透膜具有高截留特點,能有效的去除自然水體中的納米顆粒等新興污染物,然而納米顆粒如何影響有機物對FO膜的污染更是未有研究。本文也研究正滲透過程中由納米顆粒與有機污染物相互作用造成的膜污染。選取了海藻酸鈉(SA)和納米顆粒(TiO_2)作為模式污染物,揭示TiO_2與SA在FO體系中的相互作用、膜污染行為和機制。主要研究內(nèi)容和研究結(jié)果如下:1.集成FO-MFC工藝在廢水處理和能量回收的應(yīng)用,研究結(jié)果表明它比傳統(tǒng)的陽離子交換膜CEM,陰離子交換膜AEM作為MFC分離器具有更好的電化學(xué)性能。FO-MFC比CEM-MFC提高了 2倍的電壓,這是由于FO-MFC具有較高的陽極液電導(dǎo)率和減緩了陰極pH積累問題,降低了 MFC內(nèi)阻。在CEM-MFC體系中由于其他陽離子的競爭作用,質(zhì)子擴散受限,MFC面臨嚴重的陰極pH積累問題。與CEM不同,FO膜具有獨特的尺寸選擇性,相對于其他大尺寸的競爭性陽離子,FO膜在優(yōu)越的質(zhì)子運動和水通量的產(chǎn)生共同驅(qū)動下,比CEM和AEM能產(chǎn)生高的質(zhì)子通量。這項研究也為FO膜集成在MFC和其他生物電化學(xué)過程中的應(yīng)用提供可行性。2.調(diào)查了長期運行過程中膜污染對FO-MFC電化學(xué)性能的影響及機制。相比較新膜,污染膜的FO-MFC損失了水通量,但產(chǎn)電性能增加了 34%。通過非生物電化學(xué)系統(tǒng)測試污染膜和新膜的質(zhì)子通量和離子通量的差異,發(fā)現(xiàn)污染膜的凈正電荷通量是新膜的3.5倍。同時通過實驗和理論計算污染膜和新膜的質(zhì)子通量,揭示了膜污染加強質(zhì)子和離子擴散通量,減小歐姆內(nèi)阻。利用污染加強濃差極化機制解釋膜污染加強離子擴散的結(jié)果。這些結(jié)果揭示了 FO膜作為耐污染膜材料使用在MFC和其他生物電化學(xué)系統(tǒng)中具有潛在的應(yīng)用前景。3.考察了正滲透膜過程對厭氧發(fā)酵液的營養(yǎng)物N、P和VFA截留。研究結(jié)果表明發(fā)酵液在酸性條件下,VFA截留率非常低,而pH在中性條件下,VFA截留率顯著提高,達到90%左右。另外,氨氮的擴散也對pH的變化敏感,低pH氨氮具有較高的截留率,隨著pH升高,氨氮截留率逐漸降低,而磷酸鹽的截留對pH變化沒有那么敏感,磷酸鹽截留率僅有輕微的增加。增加汲取液的濃度導(dǎo)致水通量逐漸提高,營養(yǎng)物N、P和VFA的截留率都有不同程度的增加。PRO運行模式比FO模式能產(chǎn)生更高的水通量,但是營養(yǎng)物N、P和VFA的截留率都低于FO模式,這主要是采用PRO運行模式時發(fā)生嚴重的內(nèi)濃差極化。4.通過衰減全反射紅外光譜(ATR-FTIR)、zeta電位、流體力學(xué)直徑和等溫微量滴定熱(ITC)等多種分析方法的表征膜污染的行為和機制,結(jié)果表明相比較SA單一污染,TiO_2和SA相互作用,能有效的減輕膜污染。TiO_2與SA的結(jié)合,增加了污染物的負電荷,增加靜電斥力;同時結(jié)合物更加穩(wěn)定不易聚集,減輕了污染物在膜表面的沉積。Ca~(2+)存在時,Ca~(2+)與SA架橋形成復(fù)合物,更易在膜表面形成致密的污染層。當加入TiO_2結(jié)合污染后,SA-TiO_2比SA具有更小的結(jié)合容量,因此TiO_2的存在減少了一部分Ca~(2+)與SA的結(jié)合,減輕膜污染。
【圖文】：

的滲透壓差Ａｔｉ的水壓ＡＰ邋（ＡＰ＜Ａｔｃ），水分子仍然從原料液滲透到汲取液。Ｆ０是逡逑主要水處理，淡化分離為主要目的滲透過程，而ＰＲＯ是主要鹽差產(chǎn)生電能逡逑為目的滲透過程。圖１－１顯示各種滲透原理示意圖［９］。因此，Ｆ０、ＰＲＯ和民０的逡逑水通量與凈壓差的關(guān)系，可�。尥ㄟ^１＾下公式（１－１）表達：逡逑二邋ＡＰ）邐（１－１）逡逑其中，，＾為膜本身的水滲透系數(shù)，ＡＰ為外加壓力，Ａｎ為有效的滲透壓差。在民０逡逑過程中，ＡＰ＞Ａｔｉ，驅(qū)動力是水壓，水通量伴隨著ＡＰ的增大而X棿�。在Ｐ＿b瞎義蠉曋校埃跡粒校跡粒簦�，驱动力是渗投捁差，水通量伴随着ＡＰ的X齟蠖跣�。在Ｆ０辶x瞎討校粒校劍�，水通量只嗜O稈共釙�。辶x希插義

本文編號：2543137