马鹏程等在基于新型边缘绝缘电极的电絮凝工艺分离水包油乳液研究方面取得进展

taipingyang

目前，各种生产工业和人们的日常生活都会产生大量的含油废水。这些含油废水由于其复杂的化学成分和高毒害性，对自然环境造成了许多不良影响，并给人类和动物带来了严重的健康问题。因此，迫切需要开发一种分离效率高、运行成本低、环境友好的油水分离方法来去除废水中的污染物。到目前为止，常用的油水分离方法包括膜分离法、吸附法、重力分离法、生物降解等，但这些方法都存在一些缺点，例如：除油效率低、环境适应性差、操作复杂、处理时间长、膜堵塞或污染等。近十年来，电絮凝（EC）工艺由于去除效率高、操作简单、可以自动化、零化学品使用、环境友好，在含油废水处理方面获得了巨大的关注。然而，在EC技术仍面临一些重大挑战，如：电极钝化和高能耗，这不仅降低了去除效率，也增加了电化学过程的经济成本。已报道的研究和初实验结果表明，由于电解液对电极边缘电位的增强作用，电极表面电位值（电流分布）存在差异。这种电极的电流分布不均匀，降低了油水分离效率，增加了副反应的可能性。因此，以改变电极的距离、面积和结构是改善电流分布均匀性的有效方法。

图1. 实验流程示意图

        针对于此新疆理化所分离材料与技术团队通过将具有绝缘特性的环氧树脂涂覆在不锈钢网（SS）电极的上下边缘，研发制备了边缘绝缘的电极材料，以提高电流密度和电流分布的均匀性。随后，采用两种组合电极，分析了电流分布对油水分离性能的影响。通过在EC过程中记录电流以计算能耗。结果表明，对照组E-0的电极和能耗分别为0.81 kg/m3和1.95 kWh/kg，与之相比，边缘绝缘结构的E-1电极和能耗分别为0.69 kg/m3和1.19 kWh/kg，这表明边缘绝缘电极能耗更低。采用COD多参数分光光度计和COD消解反应器，测定了反应前后乳化油的COD值，并计算出了不同组合电极下EC工艺的COD去除率。结果表明，E-1的COD去除率(93.73%) 高于不采用边缘绝缘结构的E-0 (92.44%)。此外，研究人员还利用COMSOL软件建立了边缘绝缘结构电极的电位分布和电流分布模型，通过理论计算和油水分离实验验证相结合，揭示了边缘绝缘电极材料提高EC工艺油水分离性能的机理。该研究开发的新型的边缘绝缘电极材料在经济上是可行的，为优化EC过程中的除油效率和能源消耗平衡点提出了一个新的策略和方法。
        研究成果近期以“An electrocoagulation (EC) process with a novel edge insulated electrode for separation of oil-in-water emulsions”为题发表在国际期刊《Case Studies in Chemical and Environmental Engineering》上，中国科学院新疆理化技术研究所为第一完成单位，硕士研究生王军英为第一作者，阿卜杜克热木·喀迪尔研究员和马鹏程研究员为通讯作者。该研究工作得到了新疆维吾尔自治区自然科学基金（面上）、新疆维吾尔自治区天池博士计划人才项目、新疆维吾尔自治区杰出青年自然科学基金、上海合作组织科技伙伴计划和国际科技合作计划等项目的支持。
        文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cscee.2023.100354
         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”。