马鹏程等在回收铝罐电极材料用于电絮凝(EC)技术分离乳化油废水的研究取得进展

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人们为处理石油和天然气等各行业的含油废水做出了许多努力，但是过去常用的一系列方法，例如；重力分离法、吸附法、膜分离法、化学混凝法、气浮法、氧化法、生物降解等，在有效处理含油废水方面都面临一些不同的挑战。因此，近年来越来越多研究人员开始把目光投向了电化学技术。电絮凝（EC）工艺由于其设施简单、污泥产生量少、设备占地面积小、成本相对较低等优点被认为是一种有前途的、可持续的废水处理技术。前期研究表明，EC中使用的电极材料类型被认为是影响EC过程性能和运行成本的最关键因素之一。因此，在选择合适的电极材料来处理含油废水时，必须考虑到材料成本、能源消耗和目标污染物以及其他操作参数等实验因素。然而，常规电极如，铁板，铝板、不锈钢板不仅是一种能源密集型，而且增加了EC工艺的运行成本。在过去的几十年里，生产生活中形成了大量的金属废料（如金属碎屑、锉刀、刨花、废旧铝饮料罐等），这些废料积累而没有合理的回收遭到贬值，同时对环境安全和人类健康构成严重威胁。近年来，废料的回收熔化和重铸不仅污染了环境，还造成了大量的能源损失。为了环境友好地消除污染物，在EC过程中如果能合理使用回收的金属废物作为电极材料不但可以降低EC技术的工艺成本，而且减少相应的能源消耗。

        基于此中国科学院新疆理化所分离材料与技术团队利用回收的铝制易拉罐开发了用于电絮凝（EC）工艺分离水包油乳液的一种新颖的，廉价的电极以替代传统的板式或管式电极材料，有效解决了电极使用过程中电极消耗快,导致运行成本较高的实际性问题。在这项工作中，研究人员将回收的铝饮料罐中填充了钢丝球作为阳极，圆柱形的商用不锈钢网（304）作为阴极。通过使用基于响应面法（RSM）的Box-Behnken Design（BBD）实验设计模型，系统性地研究了电化学过程中重要的工艺参数（如，工作电压、电凝时间、搅拌速率和NaCl浓度）对电化学过程有效性（COD去除率）的交互影响。RSM分析结果表明，在工作电压（15V）、电凝时间（10mins）、搅拌速度（250rpm）和NaCl浓度（1g/L）的最佳条件下，COD去除率可以高达93.53%。此外，还进行了能源消耗分析，该工艺实现了0.160 kwh/kg COD的低能耗。同时，在最佳条件反应后借助ATR-FTIR光谱、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和X射线衍射仪（XRD）分析，描述了阳极和EC过程产生的絮体特征。结果表明，电化学反应器中形成的污泥含有氯化钠和氢氧化物聚合物，具有显著的粗糙度和丰富的网络结构，这有利于提高絮凝体对污染物的吸附能力。该研究国际上首次报道了回收铝罐-钢丝球组合电极（阳极）用于电絮凝工艺处理含油废水的可行性，将有助于实现EC技术的工业应用、城市绿色发展、以及废物和废水的可持续管理和回用。
        研究成果近期发表在国际期刊《清洁生产杂志》（Journal of Cleaner Production）上 (J. Clean. Prod  2022, 379, 134693)，新疆理化所分离材料与技术研究团队的阿卜杜克热木·喀迪尔助理研究员和联合培养研究生宋东升为共同第一作者，团队负责人马鹏程研究员和新疆农业大学谢海燕副教授为共同通讯作者。该项研究工作得到中国科学院特别研究助理项目以及新疆维吾尔自治区科技厅上海合作组织科技合作计划和国际科技合作计划等项目的资助。
       论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.134693
      文章来源：新疆理化所
      马鹏程，男，回族，兰州大学学士、硕士，香港科技大学博士，现任中国科学院新疆理化技术研究所研究员。 曾入选香港特区“输入内地人才计划”并在香港科技大学从事科研工作，2010-2012年得到德国洪堡基金会资助，在德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所工作。2012年回国并在中科院新疆理化所组建高分子复合材料团队，担任中科院创新研究员，同年入选首批国家“##计划--新疆项目”。