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大连理工王同华教授在煤基导电炭膜处理有机废水领域取得系列进展
新材料科讯 / 时间:2020-10-08 22:22:51

新材料科讯10月7日讯:随着工业的快速发展和人口的迅速增长,各种工业废水和生活污水的产生量及排放量日益增加。这些废水中含有大量有害且难降解的有机化合物,引发了严重的水污染问题,不仅减少了可利用的水资源,并且威胁人类和其他生物的健康及生命安全。面对日益严峻的水污染问题,开发新型高效的水处理技术具有重要的意义。电场强化膜过滤技术是一种将膜分离与电化学氧化耦合于一体的新型水处理技术,由于其兼具膜分离和电化学氧化的优点,受到了研究者们的广泛关注。然而目前报道的活性导电膜材料普遍面临生产成本高、制备工艺复杂等问题,限制了其大规模生产和应用。近期,辽宁省“兴辽英才计划”高水平创新团队、大连市重点领域创新团队和大连理工大学煤炭清洁高效利用团队王同华教授开发了一种低成本自粘结煤基导电炭膜(CCM),围绕CCM的性能优化,微结构与性能的构效关系以及电场强化处理有机废水的应用等领域开展了一系列研究工作,并取得了一些创新性的研究成果,相关成果发表在Chemical Engineering Journal、Separation and Purification Technology 和Journal of Membrane Science等化工领域的权威期刊上。 

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以廉价的不同种类粘结性煤为原料,借助于它们自身的粘结特性,通过对不同煤种配比和工艺配方的优化与调控,制备出高强度、结构均匀、性能优异的自粘结煤基导电炭膜(CCM);并以典型有机物为目标污染物,考察了CCM在电场强化下对有机废水的处理性能。相关工作以“Low-cost electrochemical filtration carbon membrane prepared from coal via self-bonding”为题发表在化工领域的权威期刊Chemical Engineering Journal 385 (2020) 123928,并被期刊评选为Featured article进行重点报道。论文链接为:https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123928。

此外,研究发现CCM的原料本身不具备导电性能,而经高温炭化制备得到的CCM具有良好的导电性能和电化学性能。针对这一现象,该团队借助现代仪器分析技术,系统研究了在炭化过程中CCM的结构、导电性能和电化学性能演变的规律,深入讨论了CCM的炭结构与导电性能、电化学性能的内在联系,提出了炭化过程中CCM的炭结构演变模型,揭示了影响其导电性能和电化学活性的内在因素。此外,研究了CCM的电化学氧化特性,并采用酸法处理的方式脱除CCM中的矿物组分,考察了矿物质对CCM电化学氧化性能的影响,揭示了CCM的电化学氧化作用机制。相关工作以“Electrochemical filtration carbon membrane derived from coal for wastewater treatment: Insights into the evolution of electrical conductivity and electrochemical performance during carbonization”为题发表于Separation and Purification Technology 247 (2020) 116948上(https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.116948)。

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基于上述工作,该团队开发了一种电场强化煤基炭膜反应器,将膜分离与电化学氧化进行耦合,应用于多种典型有机废水的处理。系统研究了CCM对不同有机污染物的处理性能和作用机制,提出了相关的降解途径,评价了该水处理体系的经济性。相关的系列工作分别发表于Separation and Purification Technology 227 (2019) 115695;Colloids and Surfaces A 540 (2018) 186–193;Separation and Purification Technology 179 (2017) 175–183;Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 506 (2016) 629–636和Separation and Purification Technology 168 (2016) 47–56。 

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为了进一步提升CCM的水处理性能,该团队设计开发了一种动态电化学沉积技术,成功地将CuO 米粒子均匀地沉积在CCM的表面和孔壁上,制备出了CuO/炭电催化膜。以有机小分子(罗丹明B、苯酚、双酚A和阿莫西林)和乳化油为目标污染物,分别考察了CuO/炭电催化膜对于尺寸小于和大于膜孔的污染物的去除性能。研究发现,所制备的CuO/炭电催化膜具有更优的电化学性能和水处理性能,并且展现出明显的节能优势。相关工作以“High-performance electrocatalytic microfiltration CuO/Carbon membrane by facile dynamic electrodeposition for small-sized organic pollutants removal”发表在Journal of Membrane Science 601 (2020) 117913上(论文链接:https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.117913)。 

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由于在煤基导电炭膜处理有机废水领域突出成果,王同华教授受邀在Chemical Engineering Journal期刊上撰写了题为“Membrane technology coupled with electrochemical advanced oxidation processes for organic wastewater treatment: Recent advances and future prospects”的专题综述(Chemical Engineering Journal 376 (2019) 120909),该工作中系统地总结了膜分离技术与电化学高级氧化技术的耦合过程的相关研究现状,并作出了相应的展望。论文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.01.188。

上述研究工作获得到了国家自然科学基金、辽宁省“兴辽英才计划”项目、大连市重点领域创新团队支持计划、大连理工大学煤炭清洁高效利用团队的支持。