高盐有机废水离子膜电解脱盐处理机制研究

摘要

高盐有机废水作为现代工业化的产物，不仅量大而且成分复杂，处理不当很容易造成水资源浪费和环境污染。目前，高盐有机废水的传统物理化学处理方法存在着诸如处理成本高，需投加额外药剂，容易造成二次污染等缺点，并且废水中的高盐环境会抑制微生物的活性，从而限制微生物方法的应用和发展。但高盐废水具有较好的导电性，可以为电化学的应用提供契机。膜电解技术作为电化学工艺中的重要组成部分，结合了传统电渗析分离提纯的作用和电解技术的特性，并具有能耗低、环境危害小等特点，该技术对高盐有机废水的处理而言，无疑是一种有着巨大应用潜力和研究价值的处理方法。
　　本课题采用膜电解的方式对高盐度染料模拟废水进行了脱盐以及有机物降解处理，旨在研究高盐有机废水体系中盐离子的去除机制以及有机物降解过程对脱盐效果的影响和相互作用关系。研究采用自制的可拆卸多级膜电解槽装置，以 Ti/RO2-IrO2-SnO2为阴、阳极板材料，以 Na+、Cl-为目标去除离子，分别在与甲基橙、酸性大红3R、直接深棕、活性艳兰 X-BR等染料物质的混合体系下进行了直流电场作用下的膜电解脱盐实验。探讨了单膜电解过程中电流密度、极板间距、电解液浓度和进样流速等控制条件对离子膜电解脱盐效果的影响，以及双膜电解过程中的脱盐效果和有机物降解情况，并对实验中使用的均相阴、阳离子交换膜的污染清洗问题进行了浅析。通过对不同时间点所取水样的 pH、电导率、盐离子(Na+、Cl-）浓度、溶液中 TOC浓度和色度的定量分析，以及对离子膜表面形貌的扫描电镜观察和有机物电解产物的红外光谱分析，得出以下结论：
　　膜电解脱盐过程中电流密度对脱盐效果的影响最为显著，是引起膜表面发生极化现象的关键因素。在本实验的参数设置条件下，电流密度55.6mA/cm2、极板间距2cm、电解液浓度2g/L、进样流速50mL/min为最优条件。此条件下，单膜电解过程中 Cl-和 Na+去除率分别为70％和90%左右；而在双膜电解处理模拟染料废水过程中两种盐离子的去除率均可达到90%左右，并且在一定程度上实现了几种染料物质的降解处理，其中甲基橙的降解效果最好，其 TOC去除率可达到75%左右。同时，因为均相阴、阳离子膜的特殊结构，有效阻挡了有机物分子的迁移，从而实现了有机物与盐离子的分离。
　　膜电解过程中，N a+和 C l-在电场作用下发生定向迁移，同时，均相阳、阴离子交换膜表面和孔道内的静电作用会对相应的离子进行吸附，并发生迁移，从而实现 Na+和 Cl-的去除。实验表明，该过程中，极板表面会发生一系列的电化学反应，阳极发生的析氯和析氧反应会使该侧溶液的 pH维持在强酸性状态（pH2-3），阴极发生的析氢反应则使该侧溶液的 pH维持在13左右。当盐溶液中存在有机物时，电化学反应产生的活性氯物质(Cl2、HClO、Cl-）和氢氧自由基（·OH）会对溶液中的有机物进行氧化降解。通过模拟染料废水的膜电解实验结果表明，该条件下的电解过程可有效去除染料废水的色度，并结合电解产物的红外光谱分析证明，几种染料物质的分子结构均遭到破坏，特别是-N=N-、=C=C=、=C=O等基团，并且分子结构越简单电解效果越好，色度取去除率也越高。
　　最后，均相阴、阳离子交换膜的扫描电镜图像表明，均相阳离子交换膜使用后表面会吸附大量的物质，均相阴离子交换膜表面出现许多裂痕。通过酸碱清洗和超声清洗后，阳膜表面会变得平整光滑，而阴膜表面的裂痕并没有发生太大变化。经对清洗前后离子膜的脱盐效果的对比，结果表明清洗可使离子膜的离子去除率恢复到使用过一次时的状态，证明实验中所用的组合膜清洗方法可有效去除膜表面的有机物和无机盐沉淀造成的污染，进而在一定程度上恢复离子膜的脱盐性能。

目录

1 绪论

1.1 高盐有机废水处理的研究现状

1.2 膜电解技术简介

1.3 离子膜污染研究现状

1.4 课题研究的目的和意义

2 单均相阳离子膜电解脱 Na+研究

2.1 实验方案

2.2 结果与讨论

2.3 本章小结

3 单均相阴离子膜电解脱 Cl-研究

3.1 实验方案

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

4 双膜三隔室电解脱 Na+、Cl-及有机物降解研究

4.1 实验方案

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

5 膜污染清洗研究

5.1 实验方案

5.2 结果与讨论

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的论文

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