利用磁场辅助电凝聚技术减轻膜蒸馏过程中产生的污染和润湿现象的机制，以用于处理生产水

《Journal of Membrane Science》：Mechanism of alleviating fouling and wetting in membrane distillation for produced water treatment by magnetic field assisted electrocoagulation

高效处理页岩气生产水：电凝聚与磁场协同膜蒸馏技术

　　

作者：马泽伦（Zeren Ma）、常海青（Haiqing Chang）、曲芳书（Fangshu Qu）、维迪奇·拉迪萨夫（Radisav D. Vidic）

单位：中国四川大学建筑与环境学院，深部地下工程智能建造与健康运维国家重点实验室，成都610207

摘要

随着全球页岩气产业的快速发展，有效处理页岩气生产水（SGPW）已成为一个重要挑战。膜蒸馏（MD）技术显示出巨大潜力，然而SGPW中含有高浓度的总溶解固体（TDS）、二氧化硅、二价离子（如Ca²⁺和Mg²⁺）、铁以及溶解有机物，这些物质容易引发膜污染和润湿现象。基于铁的电凝聚（EC）技术通过电解阴极铁生成Fe(OH)₃，有效去除SGPW中的悬浮固体、金属离子和有机物。本研究提出了结合电凝聚和磁场辅助的方法来提升MD的性能。最佳电凝聚条件为电流密度30 mA/cm²和进料pH值8.0。与单独使用MD相比，电凝聚预处理使最终通量增加了280%，并降低了渗透液电导率62%。表面元素分析证实，电凝聚通过捕获二氧化硅、金属氧化物和有机物减轻了膜污染，使膜的疏水性提高了187%。施加0.4–0.5 mT的磁场进一步增强了铁的溶解和污染物去除效果，渗透液电导率分别降低了85%和11%。经济分析表明，电凝聚-膜蒸馏（EC-MD）系统的总处理成本比单独使用MD或其他预处理方法降低了89–92%，为高效处理SGPW提供了理论和实践指导。

引言

页岩气的生产引发了能源革命[1]。然而，由于页岩气生产水（SGPW）具有高盐度和高有机质含量，其有效处理仍是一个重大挑战[2]。膜蒸馏（MD）已被证明是处理SGPW的有效技术[3]。然而，SGPW引起的膜污染和润湿现象阻碍了其大规模应用[4][5][6]。因此，需要有效的策略来减轻MD过程中的膜污染和润湿[7]。特别是，应开发预处理方法以在提高渗透液质量的同时保持膜性能[8][9][10]。

已经采用了多种预处理方法，包括物理、化学和生物方法，如过滤[11]、凝聚[12]、高级氧化工艺（AOPs）[6]、生物处理[13]和膜技术[5]，以减轻SGPW处理过程中的膜污染和渗透液质量下降。在线颗粒过滤已被证明可以减轻MD膜的结垢问题，但过滤介质的再生效果仍有待验证[14]。使用铁盐和铝盐进行凝聚可以增加MD通量89–121%，但添加化学物质和产生污泥仍存在环境风险[12][15]。高级氧化工艺可以去除SGPW中超过50%的有机污染物，但需要大量氧化剂[8][16][17]。正向渗透（FO）作为预处理方法可以显著提高MD通量并优化渗透液质量[10]，但由于渗透液的高盐度和高昂成本，其实际应用受到限制[18]。 电凝聚（EC）技术为SGPW处理提供了一种连续、环保且经济高效的方法[19][20][21][22]。如图S1（支持信息）所示，整个EC过程分为三个阶段：首先电流使阳极和阴极分别释放金属离子和氢氧根离子，然后在溶液中形成非晶态M(OH)_n(s)颗粒。由于这些颗粒具有较大的表面积，它们可以吸附溶液中的悬浮固体、金属离子和有机物，并最终聚集形成絮体。与传统絮凝方法相比，EC通过将牺牲阳极释放的金属离子转化为絮凝剂来吸附溶解有机物和捕获悬浮颗粒，从而产生更少的污泥，更适合实际应用[23][24][25][26][27]。表S1（支持信息）显示，EC-MD集成工艺在实际废水处理中显示出显著潜力。研究人员主要通过使用EC预去除进料中的悬浮固体和有机物来提升MD性能[19][20][21][24][28]。因此，利用EC提升SGPW处理中的MD性能是完全可行的，但关键性能参数的全面理解仍需进一步研究[20]。与铝电极相比，铁电极生成的Fe(OH)₃胶体对有效去除污染更为有效[24]。同时，较低的材料成本为该技术提供了更广泛的应用前景[29][30]。Fe电极和Fe(OH)₃胶体的磁性质为EC-MD系统中的磁场辅助调节提供了基础。外部磁场的应用可以促进Fe沉淀，有利于Fe(OH)₃胶体的沉降[31]。此外，磁场还影响SGPW中无机物的结晶行为，改变晶体形态并促进石膏和二氧化硅颗粒的均匀聚集，从而共同减轻结垢现象并提高MD性能[32][33]。磁场通常通过添加永磁体或使用电磁感应线圈产生[34][35]。永磁体产生稳定的磁场，而电磁感应线圈产生的磁场更加灵活且易于控制。

本研究系统研究了EC和磁场对污染物去除的协同效应，并阐明了磁场辅助在EC-MD系统中的增强机制。开发的磁辅助EC-MD工艺用于SGPW处理，与传统的基于EC的预处理方法相比，表现出通量保留率提升、膜沉积减少以及更好的经济可行性。本研究的目标是：(1) 将EC和磁场辅助结合用于SGPW处理；(2) 解释EC-MF-MD系统中污染形成和润湿缓解的物理和化学机制；(3) 使用多种分析技术（SEM、EDS、FTIR、2D-COS等）表征膜表面演变和污染成分；(4) 评估EC-MF-MD系统在SGPW处理中的经济可行性和实际应用潜力。

SGPW特性分析

本研究使用的SGPW来自中国四川盆地，总溶解固体（TDS）为22.4 g/L，pH值为8.0，总有机碳（TOC）为22.7 mg/L。SGPW的其他水质参数见表S2（支持信息）。浊度由浊度计（TL2310，Hach，中国）测量；TOC由TOC分析仪（Liquid TOC II，Analytikjena An Endress+Hauser公司，德国）测量。

电凝聚预处理对SGPW特性的影响

为了优化污染物去除效果，系统研究了电流密度和进料pH值对EC性能的影响。如图2A所示，随着电流密度的增加，浊度显著降低，在30 mA/cm²时达到最低值，表明EC有效破坏了悬浮固体的稳定性并使其聚集。然而，在进料pH值为4–6时，SGPW的浊度仍较高（9.8–12.3 NTU），而在pH值为8–12时为0.8–1.7 NTU，这可能是由于未能完全去除形成的氢氧化铁胶体所致。

结论

本研究提出了磁辅助电凝聚-膜蒸馏（EC-MD）集成工艺用于SGPW处理，并系统研究了EC和磁场在减轻污染、缓解润湿以及系统性能方面的协同效应。得出以下结论：

• EC预处理有效去除了SGPW中的有机和无机污染物，浊度从998.0 NTU降至1.46–1.77 NTU，TOC去除率超过99%

作者贡献声明

Radisav D. Vidic： 文章撰写、审稿与编辑。 Fangshu Qu： 文章撰写、审稿与编辑。 Haiqing Chang： 文章撰写、审稿与编辑、项目监督、资金申请。 Zeren Ma： 原稿撰写、数据验证、软件开发、方法设计、实验实施、数据分析、数据整理

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52370082、52570009）的支持。