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尖晶石基陶瓷膜可一步解決污泥資源化和含油廢水處理

   據大工環境膜技術微信公眾平臺2019年11月2日訊 工業過程和廢水處理所產生的重金屬污泥,若未加處理會對生態環境和人類健康產生巨大的潛在危害。傳統重金屬固廢處置技術通常是采用水泥封存或其他技術(如絡合等)進行轉化處理,但是,這些方法存在占地面積大或重金屬酸性浸出等關鍵難題,因此迫切需要開發高效的重金屬穩定化新策略。熱轉換法是一種新型、可靠的重金屬穩定化新技術,該方法可形成非常穩定的陶瓷晶相,顯著降低浸出風險,進而可從重金屬污泥制備各種陶瓷產品。作為一類新興分離介質,無機陶瓷膜因其具有較高的機械、化學和熱穩定性以及良好的抗污染性能,日益廣泛應用于化工冶金、食品醫藥、生物和環境工程等分離過程,是一個方興未艾的高技術產業領域,特別是在含油廢水分離等方面有諸多應用潛力。如何實現污泥安全、高附加值資源化,如何降低廢水處理陶瓷膜成本,如何實現含油廢水高效分離是具有挑戰性的工程技術難題。

 

尖晶石基陶瓷膜可一步解決污泥資源化和含油廢水處理

 Fig.1.Diagram of theoil/water separation process by spinel-based membrane


在前期研究工作的基礎上(L. Li, YC. Dong* et al. ACS Sustain. Chem. Eng., 2015, 3(11), 2611-2618, J. Hazard. Mater., 2015, 287,188-196.等),碩士生陳明亮(導師為董應超教授,大連理工大學環境學院)等人受尖晶石基熱轉化穩定化思想的啟發,提出了一種廢棄物資源化設計制備低成本陶瓷膜的新策略,一步解決了重金屬污泥的安全、高附加值資源化的處理難題和含油廢水(水包油(O/W)乳液)高效分離的問題。他們系統解析了含鎳廢水污泥與低成本鋁土礦制備尖晶石基陶瓷膜過程中NiAl2O4尖晶石的形成機理,并實現了膜結構的定量調控。通過研究不同操作條件下兩種不同結構陶瓷膜的通量和截油率,發現具有長指狀孔結構的陶瓷膜(LFS-HFCM)比海綿層結構的陶瓷膜(SS-HFCM)的性能更優越,歸因于其高度不對稱的膜結構和膜表面豐富金屬羥基的親水性,膜通量優于現有陶瓷膜。進而,通過實驗結果結合模型方程,提出了不同流速下乳化液油滴的膜污染機理和污染模型。該方法可推廣到其它重金屬污泥衍生的功能陶瓷膜的設計制造和其它水處理應用領域,因此,為重金屬污泥的安全、高效資源化利用提供了新的研究方向,為高性能陶瓷膜的設計和制備提供了一種合理、經濟的新方法,是一種“以廢治廢”新策略,具有環境和經濟雙重效益。

 

尖晶石基陶瓷膜可一步解決污泥資源化和含油廢水處理

 Fig.2.Spinel-based HFCMs for O/W emulsion separation


上述研究成果以“Spinel-based ceramicmembranes coupling solid sludge recycling with oily wastewater treatment”為題發表于水處理領域重要學術期刊Water Research上(Water Research (2020):115180.)(2018 I.F.=7.913),第一作者為碩士生陳明亮(目前為荷蘭代爾夫特理工大學博士研究生),通訊作者為董應超教授。
項目研究工作得到了國家自然科學基金(No. 21876020)、興遼英才計劃(No. XLYC1807250)、遼寧自然科學基金重點項目(No. 20180510005)、中央高校基本科研業務費專項資金(大連理工大學人才引進專項資金No.DUT18LAB02和重點實驗室科研專題No.DUT16RC(3)050)、高等學校學科創新引智計劃(111計劃,持久性有毒物質的污染預防與控制創新引智基地)等的聯合資助。
本工作也得到了大連理工大學環境學院楊鳳林教授的指導,同時,感謝大連理工大學環境學院陳景文教授、香港大學湯初陽教授(大連理工大學海天學者)、天津大學Michael D. Guiver教授和澳大利亞Victoria University大學的Stephen R. Gray教授的在項目研究和論文寫作方面的幫助。
作者簡介:陳明亮,男,目前為荷蘭代爾夫特理工大學(被譽為歐洲的麻省理工)博士研究生,研究方向為陶瓷膜的設計、改性及水處理應用,在國際重要學術期刊Water Res., J. Membr. Sci., J. Eur. Ceram. Soc.和ACS Sustain. Chem. Eng.等發表5篇論文,其中第一作者SCI論文 2篇(分別為Water Res.(2018I.F.=7.913)和ACS Sustain. Chem. Eng. (2018I.F.=6.970),作為碩士生,難能可貴!),1項發明專利,多次獲得獎學金。

 

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