基于电化学方法解析电渗析过程中阴离子交换膜的有机污染行为与机理

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离子交换膜具有高离子选择透过性、高导电性和稳定性,广泛应用于电渗析、电容去离子、燃料电池等水处理与能量生产领域。然而,浓差极化条件下,荷负电的有机物会导致荷正电的阴离子交换膜发生有机污染,极大地限制了离子交换膜相关工艺的推广应用。当前,有机物性质对阴离子交换膜有机污染的影响及其作用机理仍不清楚。本论文基于灵敏的电化学评价方法,对阴离子交换膜的有机污染行为及其影响因素进行如下研究:首先,系统表征了变浓度(0、0.5、1.0、2.0 g/L)和变电流密度下(60、80、96 A/m~2),阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)诱发的膜污染行为及其动态演变过程。实验结果表明膜污染程度与有机物浓度和电流密度均呈正相关,且污染过程包括初期污染积累—膜界面传质开始受阻—传质严重受阻下水解发生—污染进一步加剧四个阶段。污染初期有机物在膜表面逐步积累,膜的传质没有明显阻碍,跨膜电位未见增长;然后,污染的持续积累使离子迁移开始受阻,跨膜电位增幅可达2 V;当离子迁移遇到严重阻碍时,水解反应发生以维持电荷传输,导致淡室溶液p H值降低,浓室溶液p H值升高;最终可导致严重的膜污染损伤。电化学阻抗分析显示污染膜主体电阻(Rm,4.0–24.0Ωcm~2)远大于外部污染层电阻Rp(<1Ωcm~2),表明膜内部污染导致的传质阻碍不可忽略。然后,动态识别了四种典型有机物(十二烷基苯磺酸钠(SDS)、阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)、牛血清蛋白(BSA)和腐殖酸(HA))诱发的膜污染行为,并提出三个膜污染评价指标(即传质受阻开始发生的时刻、有机物跨膜迁移量、膜电阻),深入解析有机物的相关理化性质对膜污染的影响与机理。具体而言,基于跨膜电位增长曲线识别传质受阻开始的时刻,结果显示有机物的污染潜势排序为:SDS(3分钟)>APAM(50分钟)>HA(110分钟)>BSA(120分钟)。基于有机物的分布发现各有机物均有过膜迁移至浓室的行为,实验终点浓室内总有机碳结果显示SDS迁移最显著(约10 mg/L,是APAM、BSA和HA的三倍左右)。电化学阻抗分析表明污染后膜主体电阻Rm均显著增加(5.2–37.8Ωcm~2),具体表现为SDS>HA>APAM>BSA。在此基础上,Spearman相关性分析与冗余分析表明负电性强、亲水性高且分子量和粒径较小的有机物会导致更严重的膜污染,表现为膜污染更早开始发生,污染膜电阻更大,以及有机物跨膜迁移量更多;层次分析表明有机物的负电性和亲疏水性是膜污染的关键影响因素(合计贡献度>70%)。最后,基于上述方法,对真实沼液的脱盐处置中阴离子交换膜的污染行为开展了系统评价。与模拟污染物不同,沼液导致的膜污染并没有触发水解。污染膜的表面形貌和元素分析表明沼液导致阴离子交换膜发生有机污染,且脱盐过程中有约3%有机碳发生了跨膜迁移(浓室约120 mg/L)。清洗液的三维荧光光谱分析进一步表明膜上主要污染物是腐殖质类物质和蛋白质类物质,且以腐殖质为主。此外,电化学阻抗测试显示沼液污染膜的电阻分别为8.06、12.2和19.8Ωcm~2,与电流密度呈正相关。研究成果为电渗析过程中膜污染的发生与演变过程定量评价及污染防控提供了理论指导和科学依据。
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