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【组图】麻省理工学院开发出有机废水处理新技术,可选择性去除污染物

工业水处理 2019-03-27 07:32:48

电化学污水处理的重大突破!

近日,来自麻省理工学院和德国达姆施塔特工业大学的研究人员,在其发表于《能源与环境科学》(Energy and Environmental Science)的论文中向公众介绍了他们的最新成果,一项有关废水处理的突破性技术,对于有机废水治理领域,其意义有可能等同计算机从“电子管时代”迈入“晶体管时代”。

部分实验装置,图片来源:Melanie Gonick/MIT

该技术采用一种新颖的电化学方法,可以有效处理不同浓度范围(低至ppm级)的污水,甚至能选择性地去除有机污染物,如农药、化学废物和药物等有害物质,将其降至ppm范围。而且该工艺耗能低偏远地区甚至可以利用太阳能来驱动,解决窘迫的饮用水困境。

低浓度废水的现有处理技术有膜过滤法、电渗析法和电容去离子法等,基本上都属于能源和资源密集型,处理过程需消耗大量的能源,添加大量的化学处理剂。

膜过滤法成本较高,且处理低浓度废水的能力有限,而电渗析和电容法由于使用了高压电,容易发生副反应,产生其他物质。这些方法还有一个共同缺点就是伴生更难对付的高盐废水

新技术的工作原理

经特殊化学处理的电极,图片来源:Felice Frankel

在该电化学系统中,正、负电极经特殊的化学处理(或称为“功能化”),表面被涂覆一层感应电流材料,水在正极和负极表面之间流动。电极表面在反应过程带上正电或负电荷。

这些带电活性基团可以与特定的污染物分子强烈结合。研究人员用布洛芬和各种农药进行了试验,发现即使在ppm浓度下,此系统也能有效地去除这些分子。


【处理优势】

常规电化学分离方法有一个关键的制约因素,那就是表面竞争反应导致的酸度波动和性能下降。此前的研究通常集中在导电电极或仅对一个电极板进行功能化,但是在高电压下通常会产生其他污染化合物。

通过非对称形式使用功能化正负电极,副反应几乎被完全消除。此外,不对称性允许同时选择性地除去正和负的有毒离子,正如该团队在实验中用除草剂百草枯和奎宁氯化物所证明的那样。

研究成员Hatton介绍说,与膜系统的高压以及其他高电压电化学系统不同,新系统在较低的电压和压力下工作。他还指出,传统的离子交换系统释放捕获的化合物、吸附剂的再生都需要添加化学物质,而新系统只需轻按开关,切换电极的极性,就能实现相同的处理效果。


【应用前景】

该系统可用于环境修复,有毒有机化学清除或化工厂、制药厂等回收高附加值产品,它们都是依据相同的原理:从复杂的多离子系统中抽提少数离子。

该系统尽管具有很高的选择性,但在实践中,可能会设计成多段处理,顺序处理各种化合物,这要取决于具体的应用。

另一名研究成员Su说:“对于欠发达地区,面临着农药染料以及其他化学品生产造成的饮水问题,这种高效、使用电的净化系统可以在偏远乡村用太阳能来驱动。”

因在水处理可持续发展技术上的贡献,该研究团队已斩获多项荣誉,包括J-WAFS Solutions奖金和马萨诸塞州清洁能源催化剂竞赛奖金,并且他们还是去年麻省理工学院最佳水利创新奖的获得者。

研究人员已对该技术申请了新工艺的专利。此刻,他们正努力在实验室放大其原型设备,并进一步提高化学稳定性。

以色列技术研究所机械工程助理教授Matthew Suss评价说,这项技术意义非常,它将电化学系统的功能从非选择性扩展到了高度选择性,并利用这一特点去除关键污染物。

“与许多新兴的水净化技术一样,仍然须在现实条件下进行长期测试,以检查其耐久性。然而,鉴于系统原型已经完成了超500次的循环,该技术走向实际应用指日可待。”

伊利诺伊大学机械科学和工程教授Kyle Smith也非常认同他们的研究方法,但表示该技术仍然面临的一个重大挑战,就是如何工业化放大。

( 来源:麻省理工科技评论,编辑:杨力



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