PDAAQ-rGO導電膜的電催化性能及其自清洗膜MBR的可持續(xù)運行效果.pdf

1、膜生物反應器(MBR)技術以膜分離裝置取代傳統的二沉池，具有裝置結構緊湊、容積負荷高、污泥產率低、出水水質優(yōu)良以及自動化程度高等優(yōu)點，已被廣泛應用于城市污水與工業(yè)廢水的處理與回用領域。但運行過程中發(fā)生嚴重的膜污染仍然是限制MBR進一步商業(yè)化應用的瓶頸問題，因此，如何減緩膜污染問題是目前膜技術研究的熱點。本論文以親水性的聚（1,5-二氨基蒽醌）/石墨烯(PDAAQ/rGO)納米復合物作為添加劑，通過與聚偏氟乙烯(PVDF)膜基體材料共混改

2、性，制備具有親水性和導電性的PDAAQ/rGO/PVDF共混改性膜，并以膜-陰極一體化膜組件為基礎，將MBR與電化學反應器相結合，構建基于導電膜的MBR體系，利用外加電場對MBR膜污染進行有效控制。本研究包括:
　　采用電化學動電位法，通過一步氧化還原過程制備PDAAQ/rGO納米復合物，氧化石墨烯(GO)在負電位掃描過程中被還原而生成rGO，同時1,5-二氨基蒽醌(1,5-DAAQ)單體在正電位掃描過程中原位氧化電聚合生成PDA

3、AQ。采用場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、X射線能量擴散光譜(EDS)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、拉曼光譜(Raman)、X射線電子能譜(XPS)等技術對制得的PDAAQ/rGO納米復合物進行表征。結果表明，PDAAQ聚合物呈類似大麥粒形狀的結構并以共價鍵合方式嫁接在rGO納米片層表面。研究了PDAAQ/rGO不同配比復合物的電化學性質和電化學穩(wěn)定性。PDAAQ/rGO在硫酸溶液中具有較大的背景電流及優(yōu)良的催化氧還原反應(ORR)

4、性能，兼具了石墨烯和PDAAQ的性能。循環(huán)伏安結果表明PDAAQ/rGO納米復合物修飾電極的氧還原起始電位約為0.3 V。經旋轉圓盤電極(RDE)技術測試，PDAAQ/rGO電極催化ORR的電子轉移數n值取決于反應過電勢，在-0.1～-0.8 V電位范圍內，n值介于1.5～3.0之間，在-0.4 V電位時，ORR經歷2e-還原反應生成H2O2,而在更高的反應過電勢下，PDAAQ/rGO納米復合物修飾電極將進一步催化H2O2還原生成H2O

5、。為后續(xù)MBR研究的需要，采用兩步化學氧化聚合-還原法大批量制備了聚（1,5-二氨基蒽醌）/石墨烯復合物。循環(huán)伏安對比實驗表明化學法制備的PDAAQ/rGO與電化學法制備的PDAAQ/rGO具有相似的電化學性能和電催化活性，兩者電催化ORR的起始電位和峰電位一致。此外，通過重復循環(huán)掃描測試，制備的復合物均具有良好的穩(wěn)定性和電化學重現性。
　　以PDAAQ/rGO納米復合物為添加劑，采用浸沒沉淀相轉化法制備了PDAAQ/rGO/PV

6、DF共混改性導電膜。因PDAAQ/rGO納米復合物具有較好的親水性，在相轉化過程中可提高凝膠浴與溶劑之間的交換速率，有利于形成更寬和更厚的孔狀結構，改善膜表面的親水性，提高膜通量。經PDAAQ/rGO納米復合物改性后，PDAAQ/rGO/PVDF膜表面的接觸角較原始PVDF膜降低了9.2％，親水性能得到了明顯的改善。SEM、AFM、FTIR和XPS表征證實了PVDF膜的成功改性以及改性前后膜形貌和結構的變化?？疾炝薖DAAQ/rGO納米

7、復合物添加量對膜結構及抗污染性能的影響，結果表明，與PVDF膜相比，質量比為1.5wt％的PDAAQ/rGO共混改性PVDF膜的滲透通量提高了3.8倍，截留率未出現明顯降低。當施加1 V/cm外電場時，導電PDAAQ/rGO/PVDF共混改性膜呈現出優(yōu)良的催化ORR活性，經30 min電解電生成H2O2的累積濃度可達8.84 mg/L。以BSA作為模型蛋白進行動態(tài)過濾試驗，在1 V/cm的外加電場作用下，導電PDAAQ/rGO/PVDF

8、共混改性膜的污染速率與對比試驗相比下降了約63.5％。外加電場誘發(fā)的靜電斥力和原位電生成的H2O2有效地抑制了膜污染，降低了膜污染阻力，提高了共混改性膜的過濾效率。
　　以制備的PDAAQ/rGO/PVDF改性導電微濾膜作為過濾膜和陰極，不銹鋼網作為惰性陽極，構建外電場輔助的電化學強化MBR污水處理體系。在外加0.6 V/cm電場作用下，與未改性的PVDF膜和無外加電場的PDAAQ/rGO/PVDF改性導電微濾膜相比PDAAQ/r

9、GO/PVDF導電微濾膜在快速過濾實驗中表現出更優(yōu)異的抗膜污染性能和通量衰減速率，PDAAQ/rGO/PVDF共混改性膜運行了101天才達到需清洗的透膜壓力，而未改性的PVDF膜和未加電場的PDAAQ/rGO/PVDF改性膜分別在第39天和第65天達到需清洗的透膜壓力。膜阻力以及EPS分析表明，PDAAQ/rGO納米導電復合物的添加以及外電場對導電膜的抗污染性能起到了至關重要的作用。PDAAQ/rGO/PVDF改性膜的抗污染性能歸因于P