引言
电催化膜(EMs)协同集成了膜过滤与原位电Fenton氧化,可在膜表面及多孔基质内部生成羟基自由基(•OH)、单线态氧(1O2)和超氧自由基(•O2-)等活性氧物种(ROS),已成为一种极具前景的水处理技术[1], [2]。这种双功能架构在污染物去除性能方面表现优异,其反应速率比传统平板电极体系高出数个数量级[3], [4]。其中,基于碳纳米管(CNT)的EMs因具有卓越的导电性、大的比表面积、化学稳定性以及可调的表面化学性质而备受关注[5], [6]。通过在CNT网络上负载功能性金属氧化物(如Co3O4、SnO2、CeO2),可进一步增强电催化活性,并可选择性调节ROS的生成途径以针对性地去除污染物[7], [8]。作为一种丰富、稳定且经济的稀土氧化物,CeO2利用其氧空位(VO)和Ce(IV)/Ce(III)氧化还原对,可作为氧化还原反应的特效电催化剂[39]。我们之前的研究表明,CeO2修饰的CNT(CeO2@CNT)膜对抗生素和个人护理用品具有较高的去除效率,同时表观速率常数(k)也得以提升[40], [41]。
尽管在新型EMs材料的开发和降解机制的阐明方面取得了显著进展,但一个关键的、却很大程度上被忽视的、决定EMs性能的因素是膜模块配置[9]。模块配置直接决定了单位体积内的有效膜面积[10], [11](即堆积密度)、膜表面流体分布的均匀性[12],以及电极之间的电场分布[13]。这些因素共同影响传质效率、电化学反应途径,并最终影响污染物的去除效率[14]。迄今为止,EMs研究主要依赖于平板式膜模块,该模块结构简单、易于制备[15],并便于进行原位表征[16]。然而,由于该类模块固有的堆积密度较低(通常为100 – 400 m2·m-3),其实用性受到严重限制[17]。目前主导商业应用的是卷式膜模块,通过将多层膜叶卷绕在中心渗透液收集管周围,其堆积密度可大幅提升(可达500 – 1000 m2·m-3)[18]。该配置对于构建紧凑的水处理设备不可或缺。理论上,从平板式向卷式配置的转变会改变EM系统内的流体力学和电场环境,这些变化可能深刻影响ROS的生成途径、主导反应物种以及整体降解效率。然而,这一方面目前研究不足,阻碍了EMs的更广泛推广。
针对上述空白,本研究将CeO2@CNT电催化膜分别组装为平板式(EM-f)和卷式(EM-s)两种膜模块。选用LAS(直链烷基苯磺酸钠)作为模型污染物——它是一种源自洗涤剂的典型阴离子表面活性剂,也是火车灰水中的主要污染物——以研究膜模块配置对处理效率的影响。事实上,将火车灰水处理回用是一个极具吸引力但研究不足的目标:在中国,由于铁路客运量居世界之首,每年火车洗手设施产生大量灰水[19]。这些灰水目前未经处理直接排放,既造成了水资源的严重浪费,也构成了潜在的环境负担[20]。基于EM-f和EM-s对LAS的确认去除性能,本研究通过探针和淬灭实验确定了EM-f和EM-s中LAS降解的主导ROS。随后,对流体和电场分布进行多物理场模拟,以阐明差异ROS生成机制。最终,通过同时评估处理性能与能耗,确定了将火车灰水回用作马桶冲洗水的最佳处理方案,并对膜污染自清洁方法进行了初步探索。总体而言,本研究为废水处理用电催化膜器件的设计提供了关键见解,为解决铁路系统中水资源短缺和环境污染问题提供了有前景的方案。
