当前世界环境

介绍

近几十年来，水资源短缺是一个全球性问题。为了保护淡水资源和供应，人类已经做了大量的工作(Goh, Ismail et al. 2013)。如果目前的人口增长趋势继续下去，许多人在未来几十年将面临水资源短缺。目前，全世界约有10亿人无法获得足够的饮用水。此外，世界上大约三分之一的人口生活在供水非常困难的地区。到2025年，人口预计将增加三分之二(elielech和Phillip 2011)。因此，处理过的废水和海水的使用是水资源管理的一个重要目标(Logan 2008;文，张等。2012)。海水占水资源的97%以上，可作为地下水的重要水源(Kalogirou 2005;Zhao, van Soestbergen et al. 2012)。 This type of water should be treated. Reverse osmosis is One of the most important technologies for treating this water(Chun, Ha et al. 2012). In recent years, much progress has been made in this process(Blanco Gálvez, García-Rodríguez et al. 2009). This process consumes a lot of energy(Elimelech and Phillip 2011). The theoretical energy required for the desalination of sea water with 35 grams per liter of total dissolved solids and water recycling at least 50 percent is 1.06 kwh / m^3.(Werner, Logan et al. 2013)。实际中，海水淡化系统所需的能量为1.8-2.2千瓦时/米^3.．通过添加泵水和预处理所需的能量，将反渗透过程的能量增加到3kwh/m^3.．似乎是这样的:“随着反渗透技术的进步，减少的能量不会低于这个值。”所以现在很多研究都在考虑使用低功耗的海水淡化技术(Wen, Zhang et al. 2012)。海水淡化所需的电力可以通过微生物海水淡化单元(MDC)减少(Kim和Logan 2013)。该工艺是一种新开发的生物电化学技术，为同时进行海水淡化、可再生能源生产和废水处理提供了可持续的方法(Luo, Xu et al. 2012)。在MDC中，外电微生物通过有机物降解产生电势，然后通过离子交换膜(IEMs)驱动离子传输来淡化水(Kim和Logan 2013)。微生物降解有机物产生电子。(Forrestal, Xu et al. 2012)。这些电子通过外部电路转移，并使终端电子受体(如电子受体)减少。，铁氰化物或氧)在阴极室(Ping, Cohen等，2013)。在传统的阴极气室中，经常采用曝气方式，而在新型的阴极气室中，采用空气阴极气室(ACMDC)来降低对能量的要求。 Then in this study we evaluated the performance of the ACMDC in the desalination of seawater.

材料和方法 争取民主变革运动的核反应堆的建设

为了建造试点的主体，使用了0.5-2厘米厚的有机玻璃(7×7厘米)。在这些薄片内部创建直径为5厘米的洞，并被夹在一起。插入电极和其他设备后，废水、脱盐和阴极液室的有效容积分别为40、10和20 mL。废水和中间室使用AEM (AMI-7001, Membrane International, Inc.)分离。使用CEM (Ultrex CMI7000, Membrane International)对阴极液和中间室进行分离。所有房间都用垫圈固定在一起。阳极电极采用碳石墨平板，尺寸为3×3×0.5 cm。这个电极经过热处理(450^oC, 30分钟)。将电极置于1M的HCl溶液中1小时去除杂质。阴极(直径3cm)为碳布(30%防潮，巴斯夫，美国)，空气侧有四个PTFE扩散层，0.5 mg/cm²铂在水边。将电极连接到外部电路，使用钛丝(Qu, Feng et al. 2011)。

操作条件

用于阳极室的合成废水包括:醋酸钠(1.6 gL^－1)在营养缓冲溶液中(每升去离子水):4.4 g KH₂阿宝₄， 3.4 g K₂HPO₄.3H₂O(适用于50毫米和2.2克KH₂阿宝₄， 1.7 g K₂HPO₄.3H₂O为25mM)， 1.5克NH₄Cl, 0.1 g MgCl₂.6H₂O, 0.1 g CaCl₂.2H₂O, 0.1 g酵母提取物，10ml微量矿物金属溶液，其中(每升去离子水)含有:H_3.薄_3.0.3 g, CoCl₂.6H₂O 0.2 g, ZnSO₄.7H₂O 0.1 g, MnCl₂.4H₂o30毫克，NaMoO₄.2H₂o30mg, NiCl₂.6H₂O 20毫克，CuSO₄.5H₂o10 mg(Wen, Zhang et al. 2012)。阴极室分别注入25和50 mM KH₂阿宝₄/ K₂HPO₄缓冲液(PBS)和中间室(脱盐室)中的溶液为35 gL^－1使用去离子水中的NaCl。(Forrestal, Xu et al. 2012;Wen, Zhang et al. 2012)当电压降至<80 mV时，三个溶液全部替换，形成一个完整的循环。首先，用生活污水处理厂的回流污泥(20%，v/v)接种合成废水室(Quan, Quan et al. 2012)。ACMDC在环境温度(25±2o C)下运行，化学需氧量(COD)分析采用APHA标准的开放式回流法。pH测量使用pH计(Sension 4, HACH Co, Co) (Yadav, Dash et al. 2012)。电导率由电导率仪(sense156, HACH Co.， Co)测定。在每个批处理周期的开始和结束时，对MDC中所有三个室进行了COD、电导率和pH的测量。

分析和计算

功率密度(mW/m)²)和电流密度(mA/m²)的计算公式如下:


式中，A是投影阴极的表面积，单位为m²， V电压(mV)和R外电阻(â " μ)。基于海水淡化室容积的海水淡化率(DR)计算公式如下:

式中，Ci和Ce为进水和出水EC (mS/cm)， T为海水在淡化室中的表观水力停留时间(HRT) (h)。

结果

ACMDC反应器最初以MDC模式运行。在ACMDC中观察到海水淡化和发电同时进行。在电抗器连接外电阻之前，让阳极和阴极室达到最大开路电位(OCP)。ACMDC生产的OCP约为900 mV。根据极化数据(图1)，外部电阻固定在1000 â " μ m。通过数据采集系统(2700型，吉时利仪器公司。哦)。为了获得极化曲线，外部电阻的变化范围为50到20000 â " μ m(图2)。

图1:测量得到极化曲线 产生的稳定电压在不同的外部 抗性范围为20000 â " μ m ~ 50 â " μ m。 点击这里查看图

图2:测距时测量的电压 在20000 â " μ和50 â " μ之间。 点击这里查看图

在操作阶段，每1分钟记录一次外电阻上的电压。在ACMDC操作期间，初始盐浓度为35 g/L, 1000 Ω外电阻时产生的最大电压为607mV
(25mM PBS)和701mV (50mM PBS)(图3)。在此固定电阻条件下，最大功率密度输出为521mW/m²(25mM PBS)和695mW/m²(50mM PBS)(以7cm的横截面积为基础²阴极区)。因此，这转换为最大电流密度输出858mA/m²(25mM PBS)和992mA/m²分别(50毫米PBS)。在每一个循环开始时，由于中间腔的脱盐作用，电压立即升高，然后缓慢降低。然后在每个周期结束时，输出电压逐渐下降，这主要是由于内阻的增加。

图3:在MDC中生成的电压 初始盐浓度为35 g/L 点击这里查看图

循环结束时，25mM PBS的EC由56.33±0.19降至29.12±1.77mS/cm, 50mm PBS的EC由56.34±0.21降至30.03±1.63mS/cm。在25和50mM PBS中，海水EC的变化百分率分别为48.31±3%和46.71±2.73%。除了生产电力和废水处理，ACMDC在每批循环过程中从中间室去除超过48%的盐。在25和50mM PBS中，MDC的平均脱盐速率(DR)分别为0.400±0.047和0.27±0.026 mS/ (cm h)。结果表明，ACMDC可用于下游反渗透处理海水的预处理，不需要外部电源。ACMDC最大的优点之一是由于海水盐度的降低而降低了RO所需的能量。由图4可知，随着中间室海水含盐量的降低，废水和阴极电解质中的EC略有增加。废水中EC的变化百分比分别为44.20±11.94(25mM PBS)和27.94±3 (50mm PBS)，阴极液中EC的变化百分比分别为211.66±22.41(25mM PBS)和119.24±11.25 (50mm PBS)。海水中质子的积累和氯离子的迁移是海水电导率增加的主要原因。但阴极液电导率的增加是由于在脱盐过程中钠离子迁移到阴极室。 For example Cl^-浓度分别为1668.00±6.16 (25mM PBS)和1681.5±14.11mg/l (50mM PBS)，循环结束时分别为4590.8±359.04 (25mM PBS)和5397.75±29.74 (50mM PBS)。

图4:初始和最终浓度 ECin在中间室 点击这里查看图

讨论

由于海水中存在大量的离子由于渗透压进入催化室，废水的电导率及其用量对海水淡化有相当大的影响。由于渗透压的影响，废水室和中间室溶液浓度不同，导致废水室的水进入中间室稀释。这个问题将提高海水淡化的效率。ACMDC实现40 ~ 60%的盐度去除，如果废水量是海水的4倍。在本研究中，比例为4(废水量为40ml，海水量为10ml)。渗透水输送提高了ACMDC的脱盐性能，但外电细菌产生的电流是最重要的驱动力(81 - 98%)(Kim and Logan 2013)。影响脱盐速率的因素有:由电极反应产生的电势梯度和IEM结电势。废水的离子浓度比海水淡化室(56mS/cm)小得多，这在废水的IEM中产生了显著的浓度梯度。这个浓度梯度，引起的离子在中间室被驱动到阳极和阴极室如下式(Kim和Logan 2013):
其中∆φjct是结势，R是气体常数，T是绝对温度，F法拉第常数，z是离子电荷，a_我离子物种的活性i.由于淡化室中溶液的电导率降低而引起的欧姆电阻的变化是ACMDC中产生的电压的主要影响。

结论

本研究证实了外电微生物的产电机制以及ACMDC中的连接电位等其他机制。在ACMDC中，随着发电的增加，海水中的EC降低了约50%，表明该方法可以在不需要外部电源的情况下对海水进行预处理，用于下游的反渗透处理。

承认

作者希望对富马泰克公司提供的阳离子和阴离子交换膜表示感谢。

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