微生物電容脫鹽燃料電池處理高含鹽廢水的特性研究.pdf

1、微生物電容脫鹽燃料電池(Microbial capacity desalination cell,MCDC)是在微生物脫鹽燃料電池(Microbial desalination cell,MDC)基礎(chǔ)上,發(fā)展的一種最新型集脫鹽、水處理和產(chǎn)能為一體的技術(shù)。濱海地區(qū)的污水處理廠出水一般都含有較高鹽濃度,傳統(tǒng)脫鹽工藝需要較高能耗。利用MCDC技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)再生水零能耗脫鹽,具有良好應(yīng)用前景。但是該項(xiàng)新技術(shù)目前還存在多個(gè)關(guān)鍵問題需要突破,例如陰極

2、室溶液鹽度、pH升高加重膜污染、反應(yīng)器長(zhǎng)期運(yùn)行效果不穩(wěn)定等。本論文以提高脫鹽效能和運(yùn)行穩(wěn)定性為主要目標(biāo),開展了MCDC反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)比及脫鹽效能與機(jī)理研究。
　　為了調(diào)整鹽度分配和改善陰極液pH升高問題,開發(fā)了三種新構(gòu)型反應(yīng)器:(1)采用陽離子交換膜(CEM)分隔陽極室與脫鹽室,陰離子交換膜(AEM)分隔脫鹽室與陰極室,該反應(yīng)器命名為E-MCDC,以實(shí)現(xiàn)在脫除脫鹽室溶液鹽度的同時(shí),對(duì)陰陽極室溶液進(jìn)行部分脫鹽。(2)采用兩張AEM分隔

3、三室,該反應(yīng)器命名為A-MCDC。實(shí)現(xiàn)對(duì)脫鹽室、陰極室同時(shí)脫鹽和緩解了陰極室pH波動(dòng)的效果。(3)采用兩張CEM分隔三室,該反應(yīng)器命名為C-MCDC,實(shí)現(xiàn)對(duì)脫鹽室、陽極室同時(shí)脫鹽和緩解陽極室pH波動(dòng)的效果。三種MCDCs脫鹽室脫鹽效率分別為47.71％、43.32%和51.61%,三種反應(yīng)器的三室共同吸附量分別為31.25、26.63和29.1mgTDS/gACC?；钚蕴疾?ACC)電容電極具有物理吸附和電吸附的作用。電吸附作用在三種M

4、CDCs脫鹽室的脫鹽作用中分別占29.98%、17.83%和24.81%。三種反應(yīng)器在第一個(gè)脫鹽周期的脫鹽量最大,隨脫鹽次數(shù)的增加,單個(gè)周期脫除的鹽分減少。A-MCDC系統(tǒng)的脫鹽、產(chǎn)電性能在5個(gè)月的長(zhǎng)期脫鹽運(yùn)行中最為穩(wěn)定。
　　以5g/L的NaCl溶液模擬含鹽廢水的脫鹽試驗(yàn)中,三種MCDCs在反應(yīng)開始階段脫鹽室溶液電導(dǎo)率迅速降低,電容吸附飽和后,電導(dǎo)率有略微升高。在運(yùn)行30min時(shí)取得最大脫鹽率。隨鹽溶液濃度的增加,脫鹽率降低,單

5、位電極吸附量增加,根據(jù)Langmuir方程和Freundlich方程的線性擬合得到,E-MCDC、A-MCDC和C-MCDC的最大脫鹽吸附容量分別為72.99、63.29和76.34mg/g,電容吸附為復(fù)雜的雙分子層吸附。當(dāng)流速小于50mL/min時(shí),隨流量的增加脫鹽速率升高,繼續(xù)增大流量,脫鹽效率降低。隨電極對(duì)數(shù)的增加,三種MCDCs的脫鹽率增加,單位電極吸附量降低。通過電容電極反接,MCDCs可在1小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)電容再生。
　　鹽

6、溶液中離子的組成及傳輸機(jī)制對(duì)MCDCs系統(tǒng)性能影響較大。Ca2+、Mg2+等多價(jià)態(tài)陽離子會(huì)顯著地降低系統(tǒng)產(chǎn)能和脫鹽能力,Br-、SO42-等陰離子對(duì)系統(tǒng)性能影響不大。C-MCDC存在陰極液pH升高問題,在處理陽離子溶液時(shí),Ca2+、Mg2+更易與氫氧根結(jié)合生產(chǎn)氫氧化物而污染膜表面,致使系統(tǒng)脫鹽性能下降。
　　使用實(shí)際高含鹽廢水作為脫鹽室和陰陽極室進(jìn)水,探索含鹽廢水自身作為底物驅(qū)動(dòng)MCDC實(shí)現(xiàn)同步產(chǎn)電脫鹽的可行性。E-MCDC、A-