01导语

在国家积极倡导创新驱动发展战略、大力推进科技自立自强的时代背景下，土木工程学院师生以其锐意创新的精神和宽广的学术视野，不断推动学院高质量发展。为此我院推出“ESI优秀科研成果速递”推文系列，精心遴选并深度剖析学院师生的优秀论文成果，覆盖土木工程、给排水工程、水利工程、交通工程等多个前沿领域，旨在通过这些成果背后的深刻洞察与前瞻思考，进一步激发广大师生的科研热情，促进学术交流与合作，携手并进，共同为土木工程领域的蓬勃发展贡献智慧与力量。

02前言

近日，福州大学土木工程学院范功端教授课题组发表了题为“Feasibility of replacing proton exchange membranes with pressure-driven membranes in membrane electrochemical reactors for high salinity organic wastewater treatment”（基于压力驱动膜的膜电化学反应器处理高盐有机废水的可行性研究）的研究成果。该论文发表在水环境领域顶级学术期刊Water Research上，JCR一区，中科院分区一区，TOP期刊，最新影响因子11.4。本研究获得国家自然科学基金（52370069，52170072）的支持。鄢忠森副研究员为第一作者，陈肖磊硕士生为第二作者，范功端教授和瞿芳术教授（广州大学）为共同通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121340

03研究背景

高盐有机废水（HSOW）的排放已成为日益严峻的环境问题。传统的生物处理技术和高级氧化过程（AOP）在处理HSOW中的难降解有机污染物时存在一定局限性，例如生物处理受废水中的高渗透压影响，而AOP则需要投加大量化学药剂。膜电化学反应器（MER）作为一种新兴的废水处理技术，因具较有高氧化效率和无需药剂添加等优点，在高盐有机废水处理方面展现出优势。MER通过在传统电氧化（EO）装置的阳极和阴极间引入质子交换膜（PEM），有效避免了H+和OH-的中和，从而提高了有机物的去除效率。然而，PEM的成本高达700-1000 $/m−2，显著增加了MER的投资和维护成本。因此，本研究引入了更具经济性的压力驱动膜（<27 $/m−2）作为隔膜，并探究新型MER系统在HSOW处理中的效能，以验证MER隔膜替代策略的可行性。本研究旨在控制MER的投入成本和运行能耗，增强其在HSOW处理中的实际应用潜力。

04研究内容

本研究首先对不同隔膜在无污染状态下的电化学性能进行测试，将微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）与PEM进行对比。研究结果显示，在无污染状态下，MF和UF表现出比PEM更好的电化学性能，pH调控能力相当。这些结果初步说明了隔膜替代可行性。

进一步地，在模拟废水中测试了不同MER系统的运行能效，并对隔膜运行复合污染后的稳定性进行评估，以电化学性能的变化情况来对压力驱动膜进行初步筛选。研究结果显示，当进料中存在污染物（腐殖酸、Ca2+和Mg2+）时，在相似的UV254去除率（~85%）下，UF和RO的膜电阻表现出较低的变化率（<5%）。

最后，在实际废水中对先前筛选出的压力驱动膜与PEM进行了对比测试，评估了UF、RO、PEM的运行能效。并在MER运行后，对污染物的残留情况进行分析，并最终择选出膜污染潜势较低并且具有长期运行稳定性的隔膜。研究结果显示，MER处理垃圾渗滤液的纳滤浓缩液（NC）的实际应用中，UF相比于PEM每个周期节省了~27%的能量，并且残留在膜上的Ca2+、Mg2+和有机物均较少。

05研究总结

本工作验证了在MER中以压力驱动膜替代PEM处理HSOW的可行性。在MER工艺中使用松散的压力驱动膜（UF）来替代PEM提供了巨大的优势，特别是膜成本（从1000降低到27 $ m-2）。通过在MER系统中使用UF，在模拟HSOW处理中节省了43%的电能，并且在5个周期的实际废水处理中保持稳定的性能。阳极液的酸化和氧化作用显著减轻了废水中有机-无机物的络合污染，阴极液中的碱化作用对软化废水具有重要意义。总体而言，这种低成本、易于组装的MER设计不仅对下一代EO工艺的开发具有重要意义，而且能够适应多种废水处理场景。此外，在处理过程中可以回收氢气和腐殖酸等潜在资源，从而增强MER的经济可行性。