通过吸附与超滤（UF）混合系统，实现对源自废物的吸附剂的可持续价值化利用，用于纺织反渗透（RO）盐水预处理

《Journal of Water Process Engineering》：Sustainable valorization of waste-derived adsorbents for textile RO brine pre-treatment via adsorption and UF hybrid systems

　　萨拉·本·萨拉赫（Sarra Ben Salah）| 法尔希德·帕朱姆·沙里亚蒂（Farshid Pajoum Shariati）| 穆罕默德·罗马德哈尼（Mohamed Romdhani）| 弗朗索瓦·扎维斯卡（Francois Zaviska）| 拉贾·本·阿马尔（Raja Ben Amar）| 马克·埃兰（Marc Heran）

突尼斯斯法克斯大学理学院化学系，环境与智慧城市先进技术实验室

**摘要**

反渗透（RO）技术被广泛用于纺织废水的深度处理，通常可以实现约80%的水资源回收率，但剩余的盐水仍存在管理难题。本研究探讨了使用废弃物衍生的吸附剂——基于锯末的活性炭（ACs）、煅烧蛋壳（CES）和商用活性炭（CAC）来去除纺织反渗透盐水中的染料和化学需氧量（COD）。通过BET、XRD、FTIR和表面电荷分析等手段对材料进行了表征，发现这些吸附剂具有较大的比表面积、多孔结构以及丰富的表面活性，这解释了它们优异的吸附性能；而在高盐度条件下，CES的吸附效果较差。批次实验表明，当浓度为400 mg/L时，活性炭的染料去除效率最高，达到92%，COD去除率为62%。将活性炭与超滤（UF）结合使用形成的混合系统进一步提升了处理效果，仅使用150 mg/L的活性炭即可实现染料的完全去除和82%的COD去除率。在膜上形成的动态活性炭层稳定了渗透通量（>80 L/m2/h），并将污染趋势转变为主要为可逆性的状态，通过清水冲洗即可轻松缓解。这种活性炭/超滤的混合方法提高了处理效率，延长了膜的使用寿命，并展示了在纺织工业中回收废弃物材料的可持续策略。

**1. 引言**

工业部门占全球水资源消耗的很大比例。其中，纺织业是用水量最大的行业之一，位列全球十大高耗水行业之首[1]。平均而言，生产一吨纺织材料需要消耗230-270吨水[2]。这种高用水量导致了大量废水的产生，这些废水中通常含有染料和各种化学污染物，若未经适当处理直接排放，会对水生生态系统造成严重威胁[3]。根据世界银行报告，约20%的工业废水来自纺织业[4]。因此，迫切需要开发成本效益高且环境可持续的纺织废水处理方法。此外，这些可持续方法应迅速推动循环经济的原则，例如将废弃物转化为可再利用的功能性材料。

目前已有多种处理方法用于处理这类废水，包括生物法、化学法和物理法[5]。物理方法如吸附、离子交换和膜过滤因其简单性和相对较低的成本而受到关注[6]。化学方法如混凝、电混凝和氧化技术虽然高效，但往往伴随着较高的运营成本，并会产生含有潜在有毒物质的大量污泥[7]。无论是好氧还是厌氧生物处理，都提供了经济高效且环保的解决方案，但它们对废水成分的变化敏感，且需要较大的反应器体积，这使得它们在处理复杂纺织废水时不太实用[8]。

在物理技术中，膜技术因其多功能性、对多种污染物的高分离效率以及资源回收潜力而脱颖而出，从而减少了二次污染[9]。用于纺织废水处理的膜包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）。MF膜通常用于去除含色素染料的染液和洗涤液中的胶体颗粒，可作为预处理步骤以减少UF和RO系统的污染[10]。UF膜常用于回收高分子量化合物、辅助化学品以及多种染料，包括直接染料、靛蓝染料、分散染料和活性染料[11]。NF膜能有效去除有机化合物、二价盐和水解染料[12]。RO膜以其高分离性能著称，能够保留纺织废水中95-99%的溶解盐分、染料和有机化合物[13]。然而，反渗透过程会产生高浓度的废水（RO盐水），其中含有高浓度的盐分、染料、有机物和其他难以降解的污染物[14]。根据操作条件和膜配置的不同，RO浓缩液通常占进水量的15-50%[15]。例如，Partal等人（2022年）的研究显示，在50%的回收率下，盐水的电导率为10.683 μS/cm，COD为200 mg/L，色度为93 Pt/Co[16]；Sahinkaya等人（2019年）的研究发现，在70%的回收率下，盐水的电导率升至17.310 μS/cm，COD约为173 mg/L，色度超过300 Pt/Co[17]。由于几乎所有不需要的成分都被截留，这些结果表明回收率越高，浓缩液的体积越小，浓度越高，从而增加了后续处理的复杂性。

尽管存在这些挑战，传统废水处理方案中常常忽略RO盐水，导致环境排放问题。其直接排放可能造成严重的生态影响并违反环保法规[18]。此外，由于其高盐度和污染物负荷，RO盐水容易导致后续处理过程中的膜污染，进一步增加处理难度和运营成本[19]。因此，开发稳健且可持续的RO盐水预处理策略至关重要，不仅有助于延长膜的使用寿命和保持渗透通量，还能减少环境影响[20]。已经探索了多种预处理方法，包括吸附、混凝、生物处理、氧化、微滤和超滤[21][22]，其中在超滤或微滤之前的预处理在性能和成本效益方面最为有效[23]。然而，单靠超滤可能无法充分去除低分子量有机物质，且膜本身容易积累污染物[24]。为了解决这个问题，超滤常与其他处理方法结合使用，以增强污染物去除效果并减少污染。

在现有的技术中，如化学处理、电化学处理、电解和吸附等方法，许多都存在复杂性、产生有毒污泥和高维护成本等缺点[25]。相比之下，吸附技术作为一种简单、实用且经济高效的方法，被广泛用于纺织废水处理[26]。不过，商用活性炭的成本较高，限制了其经济可行性[27]。为了解决这个问题，最近开发了来自农业、工业和其他类型废弃物的新型吸附剂，作为传统商用活性炭的替代品[28]。例如，这些替代品包括废木材[29]、椰壳[30]、香蕉叶[31]、黄瓜皮[32]和橙皮[33]。这些废弃物衍生的吸附剂不仅降低了处理成本，还有助于环境保护和资源利用效率。

将吸附与超滤结合使用的混合系统可以提高去除效率，同时减少膜污染，从而提升工艺的可持续性和运行寿命[34]。Ben Salah等人（2024年）的研究表明，将超滤与天然粘土或粉末活性炭结合使用，可实现高达99.9%的浊度去除、99.5-99.4%的色度去除和约79.5%的COD去除，同时保持稳定的渗透通量[29]。Romdhani等人（2021年）发现，在超滤系统中加入TiO?改性的粘土后，渗透通量从71 L/h/m2显著提升至182 L/h/m2[35]。Hammami等人（2017年）也证实了混合吸附-超滤系统在实现完全色度去除和减少污染方面的有效性[36]。然而，需要注意的是，这些研究主要针对盐度和污染物负荷适中的常规或合成纺织废水。相比之下，反渗透（RO）盐水由于盐浓度极高以及更高的色度和COD水平，带来了更大的处理挑战。因此，低盐度系统的研究结果可能不适用于RO盐水，后者需要更稳健且耐盐的处理策略。

尽管有这些积极的研究成果，但针对高盐度废水（如纺织废水反渗透浓缩液）的处理研究仍然有限，这类废水因其高盐度和污染物负荷而具有独特挑战。本研究调查了两种低成本、废弃物衍生的吸附剂——煅烧蛋壳（CES）和基于锯末的活性炭（ACs）在纺织废水反渗透预处理中的可持续利用价值。这些吸附剂分别单独使用以及与超滤膜结合使用进行了评估，重点考察了它们在去除染料和化学需氧量（COD）、减轻膜污染以及提高整体处理可持续性方面的效果。

**2. 材料与方法**

**2.1. 纺织废水处理后反渗透盐水的特性分析**

本研究与位于突尼斯莫纳斯提尔的SARTEX纺织公司合作进行，该公司拥有一套日处理能力为1.500 m3的废水处理设施。处理流程包括预处理（旋转筛网、砂室和均衡池），随后采用活性污泥进行生物处理和二次澄清。最后通过超滤（DOW UF, SPF-2880和SFD-2880）和反渗透（DOW RO, BW30XFR-400/34）进行三级处理，使得每天有1200 m3的RO渗透液可重新用于纺织生产，同时每天有约300 m3的浓缩液（盐水）被排放（图1）。本研究重点关注这300 m3的盐水，旨在对其特性进行分析（表1）并对其进行处理，以改善其管理、提高资源利用率，并最终提高整体水资源回收率，这是一个具有挑战性的任务。

**表1. 300 m3/天RO盐水的特性参数**

| 参数 | 单位 | 值 |
|--------------|--------------|-------------------|
| pH | –6–9 | |
| 浊度 | NTU | 0.2–2.1 |
| 电导率 | mS/cm | 9–10 |
| TDS（总溶解固体） | mg/L | 6700–7000 |
| COD（化学需氧量） | mgO?/L | 90–180 |
| 吸光度（λmax = 325 nm） | –1.055–1.34 |
| Mg2+ | mg/L | 87–109 |
| Ca2+ | mg/L | 188.6–268 |
| SO42? | mg/L | 2020–219 |
| Na+ | mg/L | 1850–207 |
| K+ | mg/L | 31.6–38 |
| NO3? | mg/L | 202–204.4 |

根据纺织废水的工业成分，RO盐水包含复杂的芳香环和磺酸基（?SO??）功能团的活性染料和直接染料混合物。化学需氧量（COD）主要来源于染色过程中的有机化合物，包括表面活性剂、分散剂、有机助剂以及在生物处理过程中部分氧化或产生的可溶性微生物化合物。此外，无机盐和pH调节剂也影响溶液的化学性质。如表S1（补充信息）所总结的，这些成分在中性至碱性条件下主要为阴离子。这一特性强烈支持了本研究中关于pH依赖性吸附行为的机制解释。

**2.2. 研究目标**

在80%的回收率下，浓缩液中的残留物质浓度增加了五倍。为了使这些浓缩液能够在类似SARTEX工厂当前的操作条件下重新使用，需要进一步处理以去除大约80%的不需要的化合物（有机物和色素）（图1，虚线方框）。然而，由于这种后处理不能去除溶解盐分，因此浓缩液的盐分浓度仍会增加五倍，从而导致更高的渗透压和操作压力。

**2.3. 吸附剂**

本研究评估了三种吸附剂：两种由煅烧蛋壳（CES）和锯末活性炭（ACs）合成的吸附剂，以及一种商用活性炭（CAC），后者作为参考材料用于评估合成材料的性能。

**2.3.1. 基于锯末的活性炭（ACs）**

锯末活性炭（ACs）的制备采用了先前描述的工艺[37]。原材料为平均粒径小于1 mm的木屑。首先用蒸馏水清洗锯末，然后在105°C下干燥6小时。接着将其浸泡在85%的磷酸溶液中（锯末与酸的质量比为1:4），30小时后在105°C下干燥12小时，随后在氮气（N?）氛围中以5°C/min的升温速率碳化1.2小时。碳化后的材料用稀释的NaOH溶液清洗以去除残留的磷酸，再用蒸馏水多次冲洗。最后将所得的锯末活性炭（ACs）研磨并通过100 μm的筛网过滤。

**2.3.2. 煅烧蛋壳（CES）**

使用改进的公开方法[29]，利用当地餐馆收集的废弃蛋壳制备吸附剂。首先用自来水清洗蛋壳以去除杂质，然后在105°C下干燥24小时。干燥后，将蛋壳在室温下与50%的硫酸（H?SO?）按1:3的质量比浸渍过夜。浸渍后，用稀释的氢氧化钠（NaOH）溶液中和多余的酸，再用蒸馏水彻底冲洗，最后在空气氛围中的马弗炉中于900°C下煅烧2小时。所得产物（CES）被精细研磨，以达到大约100微米的粒径。2.3.3. 商用活性炭（CAC）本研究中使用的商用活性炭是CYCLECARB 401（Chemviron Carbon，比利时Feluy），常用于纺织水处理厂。其主要的物理化学性质总结在表2中。表2. CYCLECARB 401活性炭的特性。CYCLECARB 401碘值，最小值，mg/g 900水分含量，最大值，wt% 2床密度，kg/m3 450平均粒径，mm 1.12.4. 吸附剂表征进行了以下分析以表征吸附剂的结构、形态和物理化学性质。结构分析使用Bruker D8 Advance X射线衍射仪进行，配备Cu Kα辐射（λ = 1.541 ?），2θ范围为10–50°。表面纹理性质，包括比表面积、形态、孔隙率和化学组成，通过Brunauer–Emmett–Teller（BET）方法使用ASAP 2020分析仪（Micromeritics，美国）进行评估。煅烧蛋壳中存在的官能团通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）（PerkinElmer，美国）在4000–500 cm?1的扫描范围内和0.5 cm?1的光谱分辨率下进行鉴定。最后，通过Surpass电动力学分析仪（Anton Paar）基于切向流动原理确定吸附剂的表面电荷特性。2.5. 吸附实验在本研究中，准备了100毫升（V）初始染料浓度为Ci的染料溶液。然后向溶液中加入精确称量的吸附剂（m）。悬浮液在预定时间内使用机械搅拌器进行连续搅拌。搅拌期结束后，使用装有0.45微米PTFE膜过滤器的注射器将吸附剂与溶液分离。通过设置在特定波长的UV–Vis分光光度计测量滤液中的残留染料浓度（Ce）。使用预先建立的校准曲线将吸光度读数转换为浓度。根据公式（1）计算每单位质量吸附剂吸附的染料量（qe，以mg/g为单位）：(1)qe=Ci?Cem?V其中Ci（mg/L）和Ce（mg/L）分别是初始浓度和平衡浓度；m（g）是使用的吸附剂质量，V（L）是实验中使用的染料溶液体积。根据公式（2）确定染料去除效率（R，以%为单位）：(2)R=Ci?CeCi?1002.6. 吸附与超滤（UF）的结合使用了一种结合吸附和超滤（UF）的混合工艺。UF膜由TAMI Industries（法国Nyons）提供，是管状陶瓷膜，由二氧化钛和氧化锆（TiO2-Zr2O3）组成，活性层由二氧化钛制成。其分子量截留值为50 kDa，过滤表面积为39 cm2。吸附剂直接加入UF过滤罐（5 L）中，无需任何预先混合或接触时间以提高盐水过滤性能。系统以切向（交叉流）模式运行，渗滤液不断循环回进料罐。每次测试后，根据特定协议再生膜以确定不同的串联阻力（2.6）。通过公式（3）确定渗透通量：(3)J=VS.t其中J是渗透通量（L/m2/h1），V是渗透体积（L），S是膜表面积（m2），t代表渗透时间（h）。水渗透性由公式（4）给出：(4)Lp=J?P其中ΔP是跨膜压力（bar），Lp是水渗透性（L/m2/h/bar）。2.7. 结垢研究（串联阻力模型）为了评估结垢对膜性能的影响，应用了基于串联阻力模型的分析，如先前研究（Persson等人）[38]所述。该模型允许根据公式（5）分解总阻力（Rtot），其中Rtot是膜阻力（Rm）、可逆阻力（Rrev）和不可逆阻力（Rirr）的总和，μ是动态粘度（Pa·s）：(5)Rtot=ΔPμ.J=Rm+Rrev+Rirr使用超纯水的通量确定清洁膜阻力（Rm），而在过滤过程结束时测量总阻力。每次过滤步骤后，用渗透水冲洗结垢的膜以去除可逆结垢。然后使用随后的通量测量来确定不可逆阻力，接着计算可逆阻力。2.8. 吸附剂的再生和重复使用进行了四个连续的吸附-解吸循环，以评估吸附剂的重复使用性并评估其用于废水处理的可行性。最初，使用五种不同的解吸剂进行解吸实验：0.5 M HCl、0.5 M NaOH、0.5 M HNO?、0.5 M乙醇和水。然后选择解吸效率最高的解吸剂进行后续的吸附-解吸循环测试。在UF/吸附实验后，将0.5克染料饱和的吸附剂转移到含有40毫升所选解吸剂溶液的管中。用铝箔密封管子，在25°C和500 rpm下搅拌100分钟。然后过滤得到的吸附剂-解吸剂悬浮液，并使用UV/Vis分光光度计测量滤液中解吸的染料浓度。彻底清洗吸附剂几次以去除任何残留的解吸剂，然后在105°C下干燥2小时。这完成了第一个吸附-解吸过程循环，使用相同的吸附剂样本重复了三次。使用公式（6）计算解吸效率（%）：(6)解吸效率%=CdCaw其中Cd和Ca（mg/L）分别代表解吸的染料浓度和吸附的染料浓度。2.9. 水质测量通过使用HACH LANGE分光光度计测量染料吸附来评估水质，并根据LCK 214无汞测试方法确定化学需氧量（COD）。然后使用HACH 2100AN IS浊度计测量浊度，而电导率和盐度则使用2210 Einzelger?t电导率计确定。通过离子色谱法确定阴离子和阳离子的浓度，使用ICS-1000（Dionex）离子色谱仪和IonPac AS19柱测定阴离子，以及ICS-900（Dionex）和IonPac CS12A柱测定阳离子。3. 结果与讨论3.1. 吸附剂的表征3.1.1. CAC、ACs和CES吸附剂的表面和结构性质CAC、ACs和CES的氮吸附-解吸等温线根据IUPAC属于IV型，表明它们具有适合染料吸附的中孔结构（2–50 nm）[39]。CAC显示H4滞后环，揭示了微孔和中孔[40]，而ACs和CES显示H3环，这是没有刚性微孔的中孔性的典型特征。BET分析（表3）显示CAC具有最高的比表面积（1400 m2/g），这无疑是由于其微孔结构，其次是ACs（1100 m2/g）和CES（3.43 m2/g）。表3. 吸附剂的物理化学特性。吸附剂比表面积（m2.g?1）孔体积（cm3.g?1）CES 3.430.01ACs 11000.46CAC 14000.313.1.2. pH对CES、CAC和ACs的zeta电位和表面电荷的影响在pH 6到9（常见盐水pH值）之间，观察到三种材料的表面电荷行为有明显差异。CES样品的zeta电位从pH 6时的约+15 mV急剧下降到pH 7.8时的接近零mV，对应于其零电荷点（PZC），然后在pH 9时略微变为负值（约?10 mV）（图2.b）。相比之下，CAC和ACs在整个范围内保持负zeta电位，CAC的值接近?20 mV，ACs的值约为?30 mV，表明表面带有强负电荷。这些趋势表明CES在中性附近发生表面电荷反转，而CAC和ACs对阴离子物种不利的静电作用，但适合阳离子吸附。此外，ACs的更强负电荷表明其表面有更多的氧化官能团，从而增强了与阳离子物种的静电吸引力，因此比CES和CAC具有更好的吸附性能。下载：下载高分辨率图像（422KB）下载：下载全尺寸图像图2. a. 吸附剂浓度（CAC、ACs和CES）对染料去除效率的影响。实验条件：pH = 6；接触时间 = 120分钟；搅拌速度 = 500 rpm；T = 25°C。b. pH对染料去除效率（条形图）和zeta电位（曲线）的影响，实验条件：CES剂量 = 0.8 g/L；CAC和ACs剂量 = 0.4 g/L，接触时间 = 120分钟；搅拌速度 = 500 rpm；T = 25°C。3.1.3. 结构性质和热分解产物的X射线衍射研究吸附剂的XRD图案显示在图S1（补充信息）中，主要特征峰总结在表4中。结果确认CAC和ACs主要是无定形的[42]，在2θ ≈ 23°和43°处有宽的反射峰，对应于石墨（002）和（100）平面。这种无序结构，具有丰富的表面缺陷和微/中孔，有利于染料吸附。表4. X射线衍射峰。吸附剂2 θ 峰值CAC 23°, 43°ACs 23°, 43°CES [25.41°, 28°, 31°, 34.08°, 38.61°, 和 40.78°] 17.95° 和 47,15°] 和 29.37°相比之下，CES显示出属于结晶Ca(OH)?和CaCO?相的尖锐衍射峰[41]，表明其结构有序且孔隙率相对较低，这限制了物理吸附能力。然而，涉及羟基和碳酸根基团的表面反应可能仍然有助于吸附。3.1.4. 通过FTIR对ACs、CAC（b）和CES的表面化学进行表征FTIR光谱进一步阐明了表面官能团的化学性质[42]。CAC、ACs和CES的FTIR光谱提供在补充信息（图S2）中。CAC和ACs的光谱显示宽的OH伸缩带（3400–3200 cm?1）和C=O/C=C振动在1756和1640 cm?1附近，确认了羟基、羰基和芳香基团的存在。1500到1450 cm?1之间的带归因于羧酸、酚类和醚类的不对称CO伸缩[43]。这些氧化官能团通过氢键、π–π相互作用和与染料分子的静电吸引增强吸附。仅在ACs中观察到2971 cm?1的带，确认了活性炭表面存在脂肪族CH基团（–CH?–, –CH?），可能是由于前体材料的不完全炭化[44]。相比之下，CES的光谱显示出明显的峰，分别对应于Ca(OH)?和CaCO?的OH伸缩（3743、1412、1091、875和607 cm?1）以及CO、O–C–O和CaO的振动[45]。这些无机基团的占优势反映了CES的表面化学性质有限，表明其吸附行为主要受离子交换或表面络合作用控制，而不是广泛的物理吸附。总之，BET、表面电荷、XRD和FTIR分析的互补结果表明，CAC和ACs的高吸附能力归因于它们的大表面积、带电表面、多孔纹理和丰富的表面官能团。同时，CES较低的性能可以归因于其结晶矿物结构和活性位点的多样性有限。3.2. 批量吸附研究3.2.1. 吸附剂剂量的影响通过在恒定条件下改变剂量（0.1至1 g/L）研究吸附剂剂量（CAC、ACs和CES）对染料去除的影响（图2.a.），以确定有效去除染料所需的最小剂量。如图2.a所示，对于吸附剂添加量为0.1和1 g/L，CAC的染料去除效率分别为62%到95%，ACs为50%到92%，CES为6%到25%。如果增加吸附剂剂量提供了更多的活性位点，从而提高了整体染料去除效率[46]，但超过特定吸附剂浓度后，颜色去除效果不再显著改善。这表明溶液中剩余的染料浓度不适合进一步吸附，因此不需要增加吸附剂剂量。根据这些结果，确定CAC和ACs的最佳吸附剂剂量分别为0.4 g/L，CES为0.8 g/L。3.2.2. pH对吸附剂染料去除效率的影响如图2.b所示，三种吸附剂：CAC、ACs和CES的染料保留和zeta电位受溶液pH值的影响。当pH值增加时，所有吸附剂的zeta电位变得更负，而染料去除效率逐渐降低。两种活性炭，CAC和ACs，在pH 2到7的范围内保持高吸附效率（>90%），但当pH值超过10时，去除效率略微下降到约80%。随着pH值向中性和碱性值（7–10）升高，所有材料的表面电荷变得越来越负（CAC降至约?20 mV，ACs降至?30 mV），导致与带负电的染料分子发生静电排斥。因此，染料保留率降低，CAC在pH 10时约为80–85%，而ACs和CES则更明显[47]。相比之下，由于CES的表面积较小、氧化官能团较少以及更结晶的结构，其在整个pH范围内的保留率非常低，这一点通过BET、FTIR和XRD分析得到证实。结合其在pH PZC = 7.8以上时的负表面电荷，这些特性限制了与阴离子染料的静电和化学相互作用。3.2.3 动力学研究图3展示了在25°C下，CAC、ACs和CES对染料和COD的吸附容量（qe）随时间的变化情况，以及拟合的伪一级（PFO）和伪二级（PSO）模型。就COD吸附容量而言，ACs的整体表现最佳，达到了142.5 mgCOD/g，而CAC为99.0 mgCOD/g；两种活性炭的染料吸附容量相似（55–57 mgdye/g），CES则低得多（12.51 mgCOD/g和7.85 mgdye/g）。如表5所示，PSO模型提供了最佳拟合（R2 ≈ 1），表明化学相互作用主导了吸附过程。染料的平衡达到速度比COD快，这通过更高的K2速率常数得到证实，反映了染料较小的尺寸和对吸附剂的更强亲和力[38]。下载：下载高分辨率图片（347KB）下载：下载全尺寸图片图3. 接触时间对（a）染料和（b）COD吸附容量的影响。实验条件：CES剂量 = 0.8 g/L；CAC和ACs剂量 = 0.4 g/L；搅拌速度 = 500 rpm；温度 = 25°C。表5. 染料和COD吸附的PFO和PSO动力学模型参数。空单元商用活性炭（CAC）从锯末中提取的活性炭（ACs）煅烧蛋壳（CES）污染物染料COD染料COD染料CODqe, exp. (mg/g)55.699.057.5142.57.812.5伪一级K1 (min?1)0.0850.0850.0580.1080.0760.0991qe,1 (mg/g)32.79110.9459,91428.0690.80R20.730.760.770.750.960.77伪二级k2 (g/mg/min)0.0080.00280.00100.00010.01780.000742qe,2 (mg/g)56.81103,0.0967.56192.308.5121.59R20.990.990.990.990.990.99基于动力学常数和吸附容量，ACs是总体最有效的吸附剂，尽管其动力学较慢，但同时具有最高的染料和COD吸附能力。CAC在COD吸附方面表现更快，但容量较低。CES具有快速的染料吸附动力学，但容量有限，因此不太适合需要高效去除污染物的应用。3.3. 结合吸附和超滤（UF）本节探讨了使用活性炭（ACs）将吸附与超滤（UF）结合的方法，因为ACs被证明是去除COD和颜色的最有效吸附剂。它评估了这种组合工艺在处理水质和膜污染方面的性能。3.3.1 出水质量图4展示了反渗透浓缩液中染料和COD的去除效率，目的是评估这种组合方法如何实现80%的去除目标。单独使用超滤的去除效率有限，染料的去除率仅为47%，COD的去除率为24%。当单独使用ACs（剂量为400 mg/L）时，去除效率显著提高，染料为92%，COD为62%。当吸附与超滤结合使用时，处理性能得到显著改善。在相对较低的ACs剂量（0.15 g/L）下，混合UF + ACs系统实现了95.2%的染料去除率和80.9%的COD去除率，达到了目标处理效率，同时显著减少了吸附剂的消耗。进一步增加ACs剂量至0.2、0.3和0.4 g/L，去除率仅略有提高，其中0.4 g/L时染料去除率为97.2%，COD去除率为83.1%，表明在较低剂量下几乎达到了吸附平衡，这强调了吸附和空间位阻保留之间的不同机制。下载：下载高分辨率图片（184KB）下载：下载全尺寸图片图4. 使用不同处理配置（吸附、超滤（UF）和集成吸附/UF）的COD和染料去除效率。这种协同效应是因为ACs吸附了大部分污染物，从而减少了超滤膜的污染负荷，而超滤过程则保留了剩余的悬浮或胶体污染物。这种组合效果提高了整体去除效率，降低了吸附剂剂量，改善了渗透液质量，并减少了运营成本。这种显著的吸附剂消耗减少，同时不牺牲处理效率，突显了集成UF + ACs工艺的经济和运营优势。3.3.2 吸附剂浓度对超滤-吸附混合系统中渗透通量和膜污染的影响图5展示了不同吸附剂浓度与超滤（UF）步骤结合时渗透通量随时间的变化情况。单独使用超滤时，通量显著且持续下降，表明膜逐渐污染[37]。相比之下，活性炭（ACs）在100 mg/L浓度下表现出高效率，通量随时间保持稳定在约74 L/m2/h；而在150至200 mg/L浓度范围内，通量始终超过80 L/m2.h?1，表明添加ACs能够维持高通量而不降低性能。这种改进归因于活性炭在超滤膜表面形成的多孔层，该层允许水通过的同时捕获污染物[37]。这种多孔结构和吸附能力促进了高效过滤，保持了高渗透性，减少了膜污染，并有助于维持稳定的渗透通量，证实了吸附与超滤膜的结合限制了堵塞现象[48]。下载：下载高分辨率图片（147KB）下载：下载全尺寸图片图5. 在RO浓缩液处理过程中，渗透通量与时间的关系（P = 1.5 bar）。因此，确定混合工艺中最佳的ACs浓度为150 mg/L，远低于单独吸附所需的400 mg/L。这一发现证明了集成UF + ACs方法的运营效率和创新性。3.3.3 污染物研究过滤测试持续了两小时，在此期间不断测量渗透性。过滤测试结束后，用超纯水冲洗膜，从而确定了可逆污染部分[49]。此外，还研究了操作压力对渗透通量的影响，结果显示不可逆阻力没有形成可压缩沉积物，因为渗透产量随压力线性增加。这种行为更表明孔堵塞或孔收缩是不可逆污染的主要机制。然而，当单独使用超滤时，膜渗透性显著下降（81%），与初始膜渗透性（124 L/m2/h/bar）相比。这种下降是由于可逆（55%）和不可逆污染（45%）共同作用的结果，后者无法通过简单冲洗去除，需要化学清洗（表6）。相反，ACs (50 mg/L)/UF的渗透性也有所下降（55%）。然而，仅用水冲洗后（111 L/m2/h/bar），渗透性接近膜的初始渗透性（90%）。因此，ACs/UF的污染可以通过简单的水冲洗有效去除，使膜渗透性完全恢复（90%）。实际上，大约90%的污染是可逆的，只有约10%是不可逆的，因此化学清洗的需求较少。表6. 应用串联电阻模型。空单元Rm (m?1)Rtot (m?1)J2h/J0RAfterRincing (m?1)JAfterRincing/J0Rrev (m?1)Rirr (m?1)UF2.88 × 10121.55 × 10130.198.53 × 10120,356.97 × 10125.65 × 1012ACs/UF2.88 × 10126.45 × 10120.453.24 × 10120,903.21 × 10123.60 × 1011这些观察结果证实，ACs在膜表面形成了一层保护性的多孔层，可以通过简单的水冲洗轻松去除。这层膜在机械清洗后能够恢复高渗透性，同时吸附了大量有机物，从而显著减少了不可逆污染，这是超滤过程中的主要问题。结果进一步表明，在混合系统中，污染主要是可逆的（R_irrev < R_rev）。这种可逆污染的主导地位归因于在膜表面形成了更多可渗透的沉积层，主要由积累的吸附剂组成，这使得通过简单的水冲洗即可实现再生。相比之下，单独使用超滤时，可逆和不可逆污染的程度几乎相等（表6）。总体而言，将废物衍生活性炭与超滤结合不仅增强了污染物去除效果，还通过促进形成更多可渗透且易于去除的污染层改变了污染行为。这种混合方法减少了不可逆污染，降低了化学清洗的需求，并为长期膜操作提供了可持续策略。3.3.4 吸附剂的再生和可重复使用性研究了ACs的再生和可重复使用性，以评估其在纺织废水处理中的长期应用潜力[50]。对用过的ACs进行了四种不同洗脱剂（0.1 M HCl、0.1 M CH?COOH、0.1 M乙醇和0.1 M NaOH）的脱附研究。其中，0.1 M NaOH的脱附效率最高（70.9%），其次是0.1 M CH?COOH（65.1%）和0.1 M乙醇（18.3%）。经过四个连续的吸附-脱附循环后，ACs保持了高吸附容量，染料去除效率在97%到88%之间（图6）。这些结果表明其具有优异的结构稳定性和强大的性能抗性。总体而言，ACs可以有效地再生并重复使用，效率损失最小，使其成为长期和工业应用中更合适的候选材料，相比CES更为优越。下载：下载高分辨率图片（107KB）下载：下载全尺寸图片图6. 使用NaOH作为再生剂的吸附-脱附循环。4. 结论本研究展示了将废物衍生活性炭与超滤（UF）结合用于处理纺织反渗透浓盐水的强大潜力。在评估的材料中，从锯末中提取的活性炭（ACs）对染料和COD的吸附容量最高，优于商用活性炭（CAC），远远超过了煅烧蛋壳（CES）的有限性能。材料表征支持了这些观察结果，将ACs和CAC的效率与其高表面积、多孔结构和多样的表面功能联系起来。当与UF结合使用时，ACs显著增强了污染物去除效果，同时稳定了渗透通量并减轻了膜污染。混合ACs/UF系统实现了完全的染料去除和82%的COD去除，且吸附剂剂量减少。同时，在膜表面形成的可去除ACs层使污染主要变为可逆类型，降低了不可逆污染的严重程度和频繁化学清洗的需求，提供了明显的运营优势。此外，再生和可重复使用性测试表明，ACs可以使用0.5 M NaOH有效再生，并在多次吸附-脱附循环中重复使用，效率损失最小（四个循环中的染料去除率保持在97%到88%之间）。因此，结果突显了废物衍生ACs作为高盐度纺织盐水预处理材料的有效性和可持续性，ACs/UF配置提供了协同效应和环保的水资源回收方法。CRediT作者贡献声明Sarra Ben Salah：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。Farshid Pajoum Shariati：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写。Mohamed Romdhani：验证，监督，调查。Francois Zaviska：写作 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，概念化。Raja Ben Amar：写作 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，概念化。Marc Heran：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，监督，项目管理，调查，概念化。