电混凝参数统计优化对含道路除冰盐径流水电渗析中膜污染的控制研究

《Water and Environment Journal》：Statistical Optimization of Electrocoagulation on Membrane Fouling During Electrodialysis Process of Run-Off Water Loaded With Road De-Icing Salts

　　

据研究人员所知，这是首个综合研究离子交换膜在含道路除冰盐径流水（RRWs）电渗析处理过程中寿命和性能如何受影响的工作。该研究聚焦于优化电混凝（EC）和砂滤作为预处理方法，以减少电渗析脱盐处理含除冰盐道路径流水（RRWs）时的膜堵塞。其目标是减轻膜污染。通过析因设计和中心复合设计，研究人员开展了26次实验，以确定EC去除浊度和悬浮固体（SS）的最佳条件。结果表明，电解时间是最显著因素，实现了78%的SS去除和86%的浊度去除。最佳条件——使用铝电极，1.8 A电流下运行3.8 min——实现了超过98%的去除率。相比之下，砂滤仅实现了73.8%的SS去除和66%的浊度去除。对澄清后RRWs进行电渗析显示，与EC预处理相比，砂滤导致氯离子分离率降低10%，能耗增加7%。

道路除冰盐径流水（run-off water loaded with road de-icing salts, RRWs）含有悬浮固体（suspended solids, SS）、有机物、胶体物质以及钙、镁等结垢离子，这些污染物会加速电渗析（electrodialysis, ED）过程中离子交换膜的污染和结垢，缩短膜寿命并降低脱盐效率。电混凝（electrocoagulation, EC）作为一种电化学预处理技术，能够有效去除上述污染物，但以往研究多采用单变量优化，忽略了操作参数之间的交互作用，且缺乏对EC预处理与ED膜污染之间关系的系统评估。为此，研究人员首次开展综合研究，目标是优化EC和砂滤作为预处理方法，以减轻ED处理RRWs时的膜污染，并考察离子交换膜的寿命和性能。

研究人员在加拿大魁北克市Clément湖距岸边30 m处采集RRWs样品。EC实验采用500 mL反应器，以铝（Al）或铁（Fe）为阳极、石墨为阴极，通过析因设计（factorial design, FD）和中心复合设计（central composite design, CCD）安排26次实验，考察电流强度、电解时间和电极类型对SS和浊度去除的影响。常规过滤采用砂、无烟煤及二者组合的柱式过滤。ED实验采用Tokuyama AMX阴离子交换膜（anion exchange membrane, AEM）和CMX阳离子交换膜（cation exchange membrane, CEM）的四隔室反应器。膜表征采用扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）。

研究结果如下：

RRWs水质特征：RRWs初始SS为24.2±0.335 mg/L，浊度13.3±0.968 NTU，pH为6.8±0.211，电导率2.9±0.458 mS/cm，表明必须进行预处理。

EC预处理FD分析：FD分析显示，电解时间是最显著因素，对SS去除贡献77.7%，对浊度去除贡献82.5%；电流强度贡献分别为5.69%和2.25%；Al电极优于Fe电极，这与Al(OH)₃在pH 5.5–7.5范围内形成及其高吸附性有关。

CCD优化：CCD优化确定最佳条件为电流1.825 A、电解时间3.8 min、Al阳极，预测值与实验一致，SS残留0.356±0.445 mg/L，浊度0.205±0.732 NTU，去除率约98%，能耗0.37 kWh·m^?3，模型R²分别为0.956（SS）和0.982（浊度）。

砂滤对比：砂滤是常规过滤中效果最好的，但仅将SS降至6.34±0.567 mg/L，浊度降至4.5±0.349 NTU，明显低于EC预处理效果。

ED膜污染评估：ED实验中，EC预处理后的膜表面沉积物很少；而砂滤预处理后，膜在12次运行后出现可冲掉的轻微沉积，约45次循环后形成明显污染层。相同ED操作条件下，砂滤预处理导致稀室氯离子分离率降低10%，能耗增加7%，与EC预处理相比。

膜表征：SEM-EDS显示，污染CEM的碳含量从74.98%降至39.8%，氧含量从9.32%增至43.23%；污染AEM的碳含量从88.2%降至39.8%，氧含量从3.58%增至44.22%，并检测到钠、钙、镁、铝、铁等元素，说明存在有机及无机沉积物。FTIR显示污染膜出现C–O、羟基、C=O、C–H等有机官能团，且AEM比CEM更易污染，这与天然胶体带负电和有机物阴离子形态有关。酸–碱清洗后膜组成基本恢复，表明该清洗方案有效且不损伤膜结构。

总结讨论，EC预处理通过高效去除SS、浊度和胶体前体，显著减轻了ED过程中的膜污染，维持了膜的离子选择性和较低