多孔介质介导超限电流驱动FCDI净化含砷地下水的机制与效能
批准号：
42107483
项目类别：
青年科学基金项目（C类）
资助金额：
30.0 万元
负责人：
张春鹏
依托单位：
学科分类：
环境地球科学新技术新方法
结题年份：
2024
批准年份：
2021
项目状态：
已结题
项目参与者：
张春鹏
项目摘要
结项摘要
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中文摘要
地下水重金属污染是亟待解决的环境问题之一，探寻有效的含砷地下水处理方法并使其达到饮用水水质标准对于保障饮用水安全及砷暴露人群的健康具有现实意义。近年来受到关注的流动电极电容去离子（FCDI）技术可实现污染物的高效去除，在地下水修复领域展现出了应用潜力，然而达到极限电流密度时伴随产生的浓差极化使得FCDI难于长效运行，这一问题在过去数年间成为阻碍其应用于实践的瓶颈，也是电化学方法在土壤及地下水修复过程中面临的共性问题。利用多孔介质介导超限电流驱动FCDI可以疏解浓差极化的抑制效应，有望突破FCDI无法长效运行的瓶颈。本项目拟通过地下水与多孔介质的组分及特性、电化学调控策略及离子交换膜的影响研究，阐释FCDI净化含砷地下水的机制与效能。本项目的开展可为预防饮用水砷中毒提供操作简单，易于实现的解决方案，为含砷地下水作为饮用水源背景下的污染物高效去除及饮用水提质提供理论依据和技术支撑。
英文摘要
Heavy metal pollution in groundwater ranks among urgent environmental problems to be solved, exploring effective arsenic-contaminated groundwater treatment methods and making it meet drinking water quality standards has practical significance for ensuring the safety of drinking water and the health of people exposed to arsenic. In recent years, flow-electrode capacitive deionization (FCDI) has gradually attracted attention because it enables the highly efficient removal of contaminants. Consequently, FCDI can be potentially applied in the field of groundwater remediation. However, the concentration polarization associated with reaching the limiting current density makes it difficult for FCDI to operate continuously. This problem has become a bottleneck hindering its use in practice in the past few years, and it is also a common problem for the application of electrochemical methods in the process of soil and groundwater remediation. Utilizing porous media to drive FCDI with over-limiting current can alleviate concentration polarization, which is expected to break the bottleneck that FCDI cannot operate continuously. This project intends to explain the mechanism and efficiency in the process of purifying arsenic-contaminated groundwater by FCDI through the study of the composition and characteristics of groundwater and porous media, electrochemical control strategy, and the effect of ion-exchange membranes. The launch of this project can provide a simple and easy-to-implement solution for the prevention of drinking water arsenic poisoning, and provide theoretical basis and technical support for the efficient removal of contaminants and drinking water quality improvement when arsenic-contaminated groundwater serves as a drinking water source.
本研究围绕超限电流驱动流动电极电容去离子（FCDI）技术在含砷地下水处理中的应用展开，系统解析As(III)和As(V)在多孔介质及复杂水化学环境中的迁移与分离机制，优化FCDI工艺以提高砷去除效率，为地下水污染治理提供理论支撑和技术指导。传统砷去除技术普遍存在效率低、成本高或二次污染等问题，而FCDI凭借其高效、低能耗、低化学试剂消耗等优势，成为潜在的解决方案。然而，实际应用仍受浓差极化、长期稳定性及水化学因素的制约。针对上述挑战，本研究搭建错流式FCDI装置，并引入多孔介质以改善膜表面离子迁移特性，同时优化脉冲电场调控策略，系统评估不同水化学参数（pH、溶解氧、硬度、离子强度、溶解性有机物等）对FCDI运行的影响，并验证其长期稳定性。.研究结果表明，K⁺、HCO₃⁻等离子显著抑制砷的去除，而溶解氧可促进As(III)氧化，提高去除率，从95.82%提升至99.59%。多孔介质填充可有效降低浓差极化，提高超限电流密度和离子迁移效率，双阴离子交换膜的应用进一步优化了离子传输路径。脉冲电场调控方面，占空比50%时去除效率最高且能耗最低，极性反转持续100 ms可有效增强解吸效率。在长期运行实验中，FCDI系统连续运行1200 min仍保持较高去除率，电极形貌及官能团结构无显著变化，验证了其稳定性。此外，采用吉林省通榆县高砷地下水样进行测试，经过240 min处理后，所有水样的砷浓度均降至中国饮用水标准（10 μg·L⁻¹）以下，部分降至原子荧光检测限（≤0.02 μg·L⁻¹）以下。.本研究系统解析了FCDI在超限电流条件下的砷去除机理，并提出优化多孔介质与脉冲电场调控策略，以克服浓差极化及长期稳定性问题。研究成果为FCDI在含砷地下水治理中的应用提供了理论基础和技术支持，并为未来低成本、高效去除砷的水处理技术开发提供了重要参考。
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