PVDF-碳纖維催化陰極膜耦合MBR-MFC體系的性能提升及應(yīng)用.pdf

1、膜生物反應(yīng)器(MBR)在污水處理過(guò)程中存在膜污染嚴(yán)重及運(yùn)行能耗高等問(wèn)題。微生物燃料電池(MFC)是近十幾年發(fā)展起來(lái)的一種污水處理工藝，它可實(shí)現(xiàn)能源回收，但MFC處理污水時(shí)出水水質(zhì)較差，需后續(xù)處理。將MBR與MFC耦合(MBR/MFC耦合體系)用于污水處理有多重優(yōu)勢(shì)，如MBR中膜過(guò)濾可改善MFC出水水質(zhì)差的問(wèn)題，MFC可將污水中能源回收，并且MFC中的微電場(chǎng)可減緩MBR中的膜污染問(wèn)題。采用導(dǎo)電膜耦合MBR/MFC進(jìn)行水處理是集兩種處理體系

2、于一體的新工藝，具有處理流程簡(jiǎn)單，操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但現(xiàn)有的報(bào)道中還有一些問(wèn)題尚未解決，包括MBR/MFC耦合體系產(chǎn)能低，導(dǎo)電膜的穩(wěn)定性差，以及MBR/MFC耦合體系對(duì)難生物降解物和抗生素等物質(zhì)的去除效果較差（基于生物處理體系而言）?；谏鲜鰡?wèn)題，本研究首先制備出聚偏氟乙烯(PVDF)/碳纖維膜，隨后通過(guò)在鑄膜液中添加納米顆粒、對(duì)PVDF/碳纖維膜進(jìn)行催化改性和對(duì)MBR/MFC耦合體系結(jié)構(gòu)改進(jìn)等方法以提升PVDF/碳纖維復(fù)合膜的通量、催化

3、性能及其耦合MBR/MFC體系的產(chǎn)能和污染物降解性能。具體研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)將碳纖維布在高錳酸鉀和硝酸鐵的飽和溶液中浸泡，隨后經(jīng)高溫隔氧灼燒，在碳纖維布表面生成了納米氧化鐵和二氧化錳顆粒。以此作為基底，采用PVDF鑄膜液刮膜制備PVDF/碳纖維復(fù)合膜。在PVDF/碳纖維膜耦合的MBR/MFC體系對(duì)污水的處理過(guò)程中，PVDF/碳纖維膜可穩(wěn)定運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)30天;微電場(chǎng)作用下，該膜的運(yùn)行通量與無(wú)電場(chǎng)相比提升約60％;膜的純水通量為1

4、64 L m-2 h-1(LMH，10 kPa);耦合體系產(chǎn)能最大功率密度為1358 mW m-3。
　　(2)為提升PVDF/碳纖維膜的通量，利用在PVDF鑄膜液中添加納米顆粒催化劑的方法，制備高通量的PVDF/碳纖維膜。首先制備出高活性催化劑Pd-rGO-CoFe2O4;其次在PVDF鑄膜液中添加碳納米纖維和Pd-rGO-CoFe2O4復(fù)合催化劑，并在碳纖維布表面刮膜，制備出高通量的PVDF/碳纖維膜。結(jié)果測(cè)得，高通量PVDF

5、/碳纖維膜的純水通量為5563 LMH(10 kPa)。在添加納米顆粒后，復(fù)合膜的孔隙率為94.15％，較改性前提升了約3倍。將PVDF的涂覆厚度從700μm降至300μm，PVDF層的電導(dǎo)率從3.1×10-6S cm-1增長(zhǎng)至3.3×10-3 S cm-1，提升了約1000倍;耦合體系的產(chǎn)能最大功率密度從506mW m-3提升至683 mW m-3，提升了約34％。
　　(3)為提升MBR/MFC耦合體系對(duì)抗生素的去除效果，制備

6、CoFe2O4-rGO型光催化陰極膜，在生物電化學(xué)反應(yīng)降解鹽酸四環(huán)素抗生素的過(guò)程中，輔以光催化作用，以期提升MBR/MFC耦合體系對(duì)鹽酸四環(huán)素的去除效率。實(shí)驗(yàn)制備了MFe2O4四種雙金屬氧化物光催化劑(M=Fe、Co、Ni、Zn)，選取其中氧還原活性最高的催化劑CoFe2O4與rGO復(fù)合制備CoFe2O4-rGO催化劑。將該催化劑與碳納米纖維一起加入到PVDF鑄膜液中，以碳纖維布作為基底制備出CoFe2O4-rGO型光催化PVDF/碳纖

7、維陰極膜。在MBR/MFC耦合體系處理污水的過(guò)程中，對(duì)陰極室進(jìn)行可見(jiàn)光照射，CoFe2O4-(rGO)光催化膜在體系中的產(chǎn)能最大功率密度提升約8％，CoFe2O4(-rGO)光催化膜對(duì)鹽酸四環(huán)素的去除率均達(dá)到95％。結(jié)果表明，陰極可見(jiàn)光催化作用提升了催化劑的活性，促進(jìn)了生物電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，從而提升了MBR/MFC耦合體系的產(chǎn)能及其陰極室對(duì)鹽酸四環(huán)素抗生素的去除效率。
　　(4)為提升MBR/MFC耦合體系在污水處理過(guò)程的產(chǎn)能，構(gòu)

8、建低能耗MBR/MFC耦合體系。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了利用重力壓差的過(guò)濾出水，并且外界空氣通過(guò)擴(kuò)散到達(dá)陰極，去除了曝氣能耗和膜過(guò)濾能耗，系統(tǒng)的運(yùn)行能耗全部來(lái)自于進(jìn)水壓差。在陰極室添加活性炭顆粒動(dòng)態(tài)填充層，不僅能提升MBR/MFC耦合體系的產(chǎn)能，而且還可阻擋部分懸浮物質(zhì)到達(dá)膜表面，減緩膜污染。在污水的處理過(guò)程中，體系產(chǎn)能最大功率密度達(dá)到5.1Wm-3，庫(kù)倫效率約為10.89％。在陰極活性炭顆粒(GAC)上負(fù)載FeOOH和TiO2納米顆粒(FeO