【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(guò)廢水回用和海水淡化增加淡水和能源的供應(yīng),實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。正滲透(FO)作為近年來(lái)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(dòng)水分子自發(fā)的透過(guò)半透膜,得到干凈的水。相比較壓力驅(qū)動(dòng)膜技術(shù),正滲透過(guò)程無(wú)需外加壓力,具有低能耗、低污染、能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量水回收等優(yōu)點(diǎn)。然而目前正滲透的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)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(wèn)題,因此需要對(duì)正滲透過(guò)程進(jìn)行深入研究,為其進(jìn)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(lái)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(jī)物直接轉(zhuǎn)化為電能。然而限制MFC的應(yīng)用一個(gè)重要因素是高效、低成本和耐污染的分離器。針對(duì)以上問(wèn)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(xì)比較FO膜、陽(yáng)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M(jìn)FC產(chǎn)電性能的機(jī)制。并考察FO-MFC在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中膜污染對(duì)FO-MFC產(chǎn)電性能的影響及其機(jī)制,討論膜污染加快離子擴(kuò)散的背后機(jī)制。本文進(jìn)一步考察正滲透膜過(guò)程回收厭氧產(chǎn)酸發(fā)酵液的營(yíng)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(yíng)養(yǎng)物VFA、N和P截留變化;揭示FO膜在發(fā)酵液處理過(guò)程中的營(yíng)養(yǎng)物傳質(zhì)屬性。同時(shí),正滲透膜具有高截留特點(diǎn),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(jī)物對(duì)FO膜的污染更是未有研究。本文也研究正滲透過(guò)程中由納米顆粒與有機(jī)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(jī)制。主要研究?jī)?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(yáng)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(yáng)極液電導(dǎo)率和減緩了陰極pH積累問(wèn)題,降低了 MFC內(nèi)阻。在CEM-MFC體系中由于其他陽(yáng)離子的競(jìng)爭(zhēng)作用,質(zhì)子擴(kuò)散受限,MFC面臨嚴(yán)重的陰極pH積累問(wèn)題。與CEM不同,FO膜具有獨(dú)特的尺寸選擇性,相對(duì)于其他大尺寸的競(jìng)爭(zhēng)性陽(yáng)離子,FO膜在優(yōu)越的質(zhì)子運(yùn)動(dòng)和水通量的產(chǎn)生共同驅(qū)動(dòng)下,比CEM和AEM能產(chǎn)生高的質(zhì)子通量。這項(xiàng)研究也為FO膜集成在MFC和其他生物電化學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用提供可行性。2.調(diào)查了長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中膜污染對(duì)FO-MFC電化學(xué)性能的影響及機(jī)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(guò)非生物電化學(xué)系統(tǒng)測(cè)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(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算污染膜和新膜的質(zhì)子通量,揭示了膜污染加強(qiáng)質(zhì)子和離子擴(kuò)散通量,減小歐姆內(nèi)阻。利用污染加強(qiáng)濃差極化機(jī)制解釋膜污染加強(qiáng)離子擴(kuò)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(guò)程對(duì)厭氧發(fā)酵液的營(yíng)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(dá)到90%左右。另外,氨氮的擴(kuò)散也對(duì)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(duì)pH變化沒(méi)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(yíng)養(yǎng)物N、P和VFA的截留率都有不同程度的增加。PRO運(yùn)行模式比FO模式能產(chǎn)生更高的水通量,但是營(yíng)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(yùn)行模式時(shí)發(fā)生嚴(yán)重的內(nèi)濃差極化。4.通過(guò)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(jī)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(fù)電荷,增加靜電斥力;同時(shí)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(shí),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(dāng)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(guò)程，而ＰＲＯ是主要鹽差產(chǎn)生電能逡逑為目的滲透過(guò)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^(guò)１＾下公式（１－１）表達(dá)：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(guò)程中，ＡＰ＞Ａｔｉ，驅(qū)動(dòng)力是水壓，水通量伴隨著ＡＰ的增大而X棿蟆Ｔ冢校遙瞎義蠉曋�，０［E粒校跡粒簦椋κ巧稈共�，水通量伴随着ＡＰ的X齟蠖跣�。在Ｆ０辶x瞎討�，ＡＰΠ，水通量只嗜O稈共釙�。辶x希插義

本文編號(hào)：2543137