PDAAQ-rGO導(dǎo)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(yīng)器(MBR)技術(shù)以膜分離裝置取代傳統(tǒng)的二沉池，具有裝置結(jié)構(gòu)緊湊、容積負荷高、污泥產(chǎn)率低、出水水質(zhì)優(yōu)良以及自動化程度高等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于城市污水與工業(yè)廢水的處理與回用領(lǐng)域。但運行過程中發(fā)生嚴(yán)重的膜污染仍然是限制MBR進一步商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸問題，因此，如何減緩膜污染問題是目前膜技術(shù)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(fù)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(dǎo)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(chǔ)，將MBR與電化學(xué)反應(yīng)器相結(jié)合，構(gòu)建基于導(dǎo)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(xué)動電位法，通過一步氧化還原過程制備PDAAQ/rGO納米復(fù)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(shù)對制得的PDAAQ/rGO納米復(fù)合物進行表征。結(jié)果表明，PDAAQ聚合物呈類似大麥粒形狀的結(jié)構(gòu)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(fù)合物的電化學(xué)性質(zhì)和電化學(xué)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(yīng)(ORR)

4、性能，兼具了石墨烯和PDAAQ的性能。循環(huán)伏安結(jié)果表明PDAAQ/rGO納米復(fù)合物修飾電極的氧還原起始電位約為0.3 V。經(jīng)旋轉(zhuǎn)圓盤電極(RDE)技術(shù)測試，PDAAQ/rGO電極催化ORR的電子轉(zhuǎn)移數(shù)n值取決于反應(yīng)過電勢，在-0.1～-0.8 V電位范圍內(nèi)，n值介于1.5～3.0之間，在-0.4 V電位時，ORR經(jīng)歷2e-還原反應(yīng)生成H2O2,而在更高的反應(yīng)過電勢下，PDAAQ/rGO納米復(fù)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(xué)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(fù)合物。循環(huán)伏安對比實驗表明化學(xué)法制備的PDAAQ/rGO與電化學(xué)法制備的PDAAQ/rGO具有相似的電化學(xué)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(fù)循環(huán)掃描測試，制備的復(fù)合物均具有良好的穩(wěn)定性和電化學(xué)重現(xiàn)性。
　　以PDAAQ/rGO納米復(fù)合物為添加劑，采用浸沒沉淀相轉(zhuǎn)化法制備了PDAAQ/rGO/PV

6、DF共混改性導(dǎo)電膜。因PDAAQ/rGO納米復(fù)合物具有較好的親水性，在相轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，改善膜表面的親水性，提高膜通量。經(jīng)PDAAQ/rGO納米復(fù)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(jié)構(gòu)的變化?？疾炝薖DAAQ/rGO納米

7、復(fù)合物添加量對膜結(jié)構(gòu)及抗污染性能的影響，結(jié)果表明，與PVDF膜相比，質(zhì)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(xiàn)明顯降低。當(dāng)施加1 V/cm外電場時，導(dǎo)電PDAAQ/rGO/PVDF共混改性膜呈現(xiàn)出優(yōu)良的催化ORR活性，經(jīng)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(dǎo)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(dǎo)電微濾膜作為過濾膜和陰極，不銹鋼網(wǎng)作為惰性陽極，構(gòu)建外電場輔助的電化學(xué)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(dǎo)電微濾膜相比PDAAQ/r

9、GO/PVDF導(dǎo)電微濾膜在快速過濾實驗中表現(xiàn)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(dǎo)電復(fù)合物的添加以及外電場對導(dǎo)電膜的抗污染性能起到了至關(guān)重要的作用。PDAAQ/rGO/PVDF改性膜的抗污染性能歸因于P