电辅助膜生物反应器体系中Co纳米催化膜处理焦化废水研究

摘要

为探究电辅助膜生物反应器(electrical membrane bioreactor,EMBR)处理难降解有机废水的效果、产电性能及抗膜污染性能,以金属有机骨架化合物(metal-organic frameworks,MOFs)为前驱体,通过碳化制备具有高催化氧还原(oxygen reduction reaction,ORR)活性的负载Co纳米颗粒的氮掺杂碳催化剂(Co-NPs),以碳纤维布作为基体组装Co-NPs∕PVDF碳纤维基催化膜,并构建催化膜耦合EMBR体系处理实际焦化废水.考察碳化温度、Co∕N协同作用、N掺杂含量及形态对ORR活性的影响,探究了催化膜在EMBR体系中处理实际焦化废水的污染物去除效率、抗污染特性和产能效果.结果表明:①Co-NPs的ORR反应为4电子转移还原途径,还原产物为水.②Co-NPs∕PVDF碳纤维基催化膜在微电场下保持稳定的高膜通量.催化膜污染在运行初期符合膜孔堵塞模型,后期表现为滤饼层污染模型控制,膜污染以滤饼层污染为主.微电场可以降低滤饼层比阻,能有效解决膜污染问题.③EMBR体系处理实际焦化废水,COD、TN、NH4+-N和挥发酚的去除率分别为97.2％、43.8％、82.9％和99.8％.④系统最大产电功率密度为823.8 mW∕m3,库仑效率为8.3％.研究显示,以MOFs为前驱体制备的Co-NPs纳米催化剂,以碳纤维布作为基体制备Co-NPs∕PVDF碳纤维基催化膜,耦合EMBR体系在焦化废水处理过程中表现出了高效的污染物降解效率、能源转化效率,并且微电场环境可达到抗膜污染效果.