【摘 要】
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离子交换膜(IEM)在电渗析脱盐过程中易在膜界面发生膜污染与浓差极化。以往研究中电化学阻抗谱(EIS)用于监测IEM界面的电化学性质通常属于离线/异位监测,缺乏脱盐过程中膜界面浓
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离子交换膜(IEM)在电渗析脱盐过程中易在膜界面发生膜污染与浓差极化。以往研究中电化学阻抗谱(EIS)用于监测IEM界面的电化学性质通常属于离线/异位监测,缺乏脱盐过程中膜界面浓差极化和污染形成的信息。本文建立了一种通过EIS原位监测IEM脱盐过程中膜界面污染和浓差极化的方法,同时监测脱盐室离子通量的变化并同步反映膜脱盐性能的变化。在此基础上,将此方法应用于聚合物驱采出废水处理的脱盐膜监测过程中。主要内容及研究结果如下:(1)本文建立了通过EIS原位监测IEM脱盐过程中膜界面污染与浓差极化的方法,确定了监测体系在脱盐过程不同阶段的等效电路模型。脱盐过程的初始阶段,能斯特图由一个阻抗弧和一个扩散边界层组成,等效电路拟合元件选择为Rm+s(RedlCedl)Rdbl;而在脱盐过程的后期,膜界面形成污染层,能斯特图转变为由两个阻抗弧与一个扩散边界层阻抗组成,等效电路拟合元件则演化为Rm+s(RedlCedl)(RpCp)Rdbl。IEM脱盐过程中的膜界面传质阻抗分别通过原位EIS与异位EIS监测可知,原位EIS可以更全面地获取膜界面污染与浓差极化的信息。(2)溶液组成会显著影响膜各界面传质性能。溶液中污染物的存在显著增加了膜传质阻抗,尤其在脱盐过程的后期,累积的污染物甚至会在膜界面形成污染层,加剧了膜/溶液界面浓差极化。通过比较几种电性不同的污染物在脱盐过程中膜界面传质性能的变化,膜污染程度主要取决于污染物与膜之间的相互作用能。当相互作用能为负时,膜与污染物之间的作用力表现为吸引。随着污染物浓度的增加,膜界面整体离子传质阻抗增加,尤其当污染物浓度达到临界胶束浓度后,更容易在膜界面凝结形成污染层,也促进了膜/溶液界面浓差极化现象的发生。与污染物浓度不同,随着盐离子浓度的增加,盐离子与膜之间的相互作用增加,因此减缓了膜各界面污染与浓差极化的发生。通过比较倒极与超纯水清洗后的膜各界面传质阻抗变化可知,超纯水清洗效果优于倒极。当膜内形成不可逆污染后,清洗后的膜性能也无法恢复,膜在再次脱盐过程中的污染呈现加速状态。(3)IEM在处理聚合物驱采出废水过程中,由于溶液中含聚丙烯酰胺等有机污染物,因此随着脱盐的进行膜各界面阻抗逐渐增加,且污染层的形成加剧了膜/溶液界面的浓差极化,及时清洗膜可使膜脱盐性能恢复到初始水平。随着电流密度的增加,脱盐率增加的同时加剧了污染物在膜界面的累积,本研究中,2m A/cm2的电流密度可保持较高脱盐率和较轻膜污染。
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