Subtle introduction of membrane polarization-catalyzed H2O dissociation actuates highly efficient electrocoagulation for hardness ion removal

离解(化学) 化学 电渗析 电凝 催化作用 吸附 化学工程 膜污染 离子交换树脂 水解 碱度 结垢 无机化学 有机化学 工程类 物理化学 生物化学
作者
Yang Yu,Mengyu Zhang,Qian Li,Xueming Chen,Dongzhi Chen,Huachang Jin
出处
期刊:Water Research [Elsevier]
卷期号:242: 120240-120240 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.watres.2023.120240
摘要

Electrocoagulation represents a promising process for hardness removal from cooling water. Nevertheless, the slow hydrolysis reaction severely restricted the floc formation, inhibiting the hardness co-precipitation and simultaneously causing secondary pollution from dissolved Al3+. Inspired by the detrimental membrane fouling phenomenon in conventional electrodialysis, we reported a rational strategy to substantially enhance the hardness removal efficiency in electrocoagulation by introducing a special membrane polarization-catalyzed H2O dissociation herein. Leveraging the electron transfer between functional groups (–SO3− and –N(CH3)3+) of ion exchange membrane (IEM) and surface-adsorbed H2O under the electric field-induced ion depletion scenario, H2O dissociation could be effectively catalyzed, with this catalytic activity more intensive in –SO3− than in –N(CH3)3+. Such a special H2O dissociation beneficially created a widely distributed and well-simulated alkalinity zone around the anodic region of IEM, which promoted the conversion of dissolved Al3+ to floc Al, thereby enhancing floc formation and circumventing secondary pollution. All these features enabled the resulting membrane-enhanced electrocoagulation (MEEC) to achieve a super-prominent hardness removal rate of 318.9 g h−1 m−2 with an ultra-low specific energy consumption of 3.8 kWh kg−1 CaCO3, considerably outperforming those of other conventional hardness removal processes reported to date. Additionally, in conjunction with a facile air-scoured washing method, MEEC exhibited excellent stability and universal applicability in various reaction conditions.

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