【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及水處理的環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，具體涉及一種電催化膜水處理的生命周期環(huán)境影響評價方法。
技術(shù)介紹
1、隨著全球化發(fā)展和人口急劇增長，40億人正在面臨嚴(yán)重的水資源短缺。近年來，微污染物的出現(xiàn)對清潔水和人類健康帶來了愈發(fā)重大挑戰(zhàn)。包括抗生素、消毒副產(chǎn)物、全氟化合物、個人護(hù)理品等在內(nèi)的微污染物在水中的濃度低、有毒有害而且難以生物降解，傳統(tǒng)的水處理工藝無法對其實(shí)現(xiàn)有效去除。微污染物的廣泛存在大幅增加了水對人類生命健康的潛在威脅，因此開發(fā)能夠有效應(yīng)對微污染物的水處理技術(shù)迫在眉睫。
2、電催化膜是一種新興很有前景的水處理技術(shù)，巧妙的耦合了低壓膜濾和多種電現(xiàn)象，包括電化學(xué)氧化、電吸附、電泳等，能夠充分利用膜孔內(nèi)的微納空間限域效應(yīng)富集污染物和自由基，同時減少反應(yīng)路徑，從而最大程度的利用自由基等活性物種，提高對微污染物的去除效能，具有低耗高效、魯棒性強(qiáng)、集成便攜等諸多優(yōu)勢。
3、盡管電催化膜技術(shù)在催化劑制備、構(gòu)型設(shè)計(jì)、反應(yīng)機(jī)制探究等方面取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些關(guān)鍵的不足之處。雖然通過將電催化膜技術(shù)用于水處理，減少了微污染物存造成的環(huán)境污染問題，但是在去除微污染物的過程中需要消耗大量的化學(xué)品和電能，也一定產(chǎn)生相應(yīng)的環(huán)境影響，而這種影響的具體種類和大小尚不清楚，因此，只有將電催化膜技術(shù)的資源消耗、能源消耗以及環(huán)境影響進(jìn)行全面的量化分析，才能更好指導(dǎo)該技術(shù)向低碳、綠色、可持續(xù)的方向發(fā)展。
4、生命周期評價(lca)是一種從搖籃到墳?zāi)沟膶δ撤N產(chǎn)品或技術(shù)的綜合環(huán)境影響進(jìn)行量化的基礎(chǔ)工具，但目前并無針對電催化膜去除
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)提供一種電催化膜水處理的生命周期環(huán)境影響評價方法，以解決上述技術(shù)問題。
2、具體而言，以本專利技術(shù)選擇穿流式的電催化膜體系為例，其生命周期環(huán)境影響評價的系統(tǒng)邊界包括：膜材料制備階段、膜組件組裝階段、電過濾運(yùn)行階段、清洗維護(hù)階段和廢棄物處置階段。
3、本專利技術(shù)所選擇的上述五個階段涉及到的物質(zhì)和能量投入最大，最有可能造成較大的環(huán)境影響，而其他階段比如基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)階段的壽命很長，一般是20年至50年，因此折算后的環(huán)境影響非常小，完全可以忽略。
4、本專利技術(shù)的一種電催化膜水處理的生命周期環(huán)境影響評價方法，所述的評價方法是基于電催化膜的總環(huán)境影響負(fù)荷評價模型實(shí)現(xiàn)的，依據(jù)電催化膜的總環(huán)境影響負(fù)荷評價模型得到的結(jié)果，對比電催化膜不同生命周期階段的環(huán)境影響，得到對環(huán)境影響指標(biāo)影響最大的電催化膜生命周期階段，即完成所述的電催化膜去除水中微污染物的生命周期環(huán)境影響評價方法；
5、所述的電催化膜的總環(huán)境影響負(fù)荷評價模型為：
6、
7、式中yj是第j種環(huán)境影響指標(biāo)，xi是電催化膜的生命周期評價模型中電催化膜生命周期階段投入的第i種資源或能源的量，cij是xi對應(yīng)yj環(huán)境影響的特征化因子；
8、其中，環(huán)境影響指標(biāo)為全球變暖潛力、陸地酸化、淡水富營養(yǎng)化、礦產(chǎn)資源消耗、海洋富營養(yǎng)化和平流層臭氧消耗；
9、電催化膜的生命周期評價模型是通過收集電催化膜生命周期過程中的資源、能源清單，建立電催化膜生命周期階段與資源、能源清單的對應(yīng)關(guān)系模型，所述的電催化膜生命周期階段包括膜材料制備階段、膜組件組裝階段、電過濾運(yùn)行階段、清洗維護(hù)階段和廢棄物處置階段。
10、所述膜材料制備階段是指利用高溫還原、機(jī)械擠壓成型、高溫?zé)Y(jié)的過程，將儲量豐富的原材料二氧化鈦粉末還原為高電導(dǎo)率的亞氧化鈦粉末，然后制備成一體式的亞氧化鈦電催化膜；該過程涉及二氧化鈦、氫氣、電能消耗、水資源消耗等，其中亞氧化鈦電催化膜的單次制備量為1-20g，加熱功率為1-4kwh，高溫處理時間為3-8小時。根據(jù)以上消耗的資源、能源，得到膜材料制備階段的物質(zhì)能量清單。
11、其中，所述膜組件組裝階段是指膜與各種零件進(jìn)行組裝，形成一個完整膜組件的過程。該過程涉及對電極、參比電極、管道、閥門以及連接和固定配件等，不銹鋼的使用量為20-200g，塑料的使用量為50-500g。膜組件組裝還涉及封裝、焊接、加熱等組裝過程，其電能消耗和水資源消耗，分別為0.01-1kwh和0.1-100ml。根據(jù)以上消耗的資源、能源及污染物排放，得到膜組件組裝階段的物質(zhì)能量清單。
12、所述電過濾運(yùn)行階段是指含有微污染物的水體流入膜組件，然后以穿透式通過電催化膜，在施加恒定電壓或電流的電催化膜內(nèi)被高效去除，處理后的水體流出膜組件得到凈化水的過程。具體的污染物去除機(jī)制包括：直接電子轉(zhuǎn)移、間接自由基氧化、電吸附、電泳力等。該過程涉及電解質(zhì)、用于降解污染物的電能消耗和用于輸送液體的泵的電能消耗，其中投加1-100mm磷酸氫二鉀作為支持電解質(zhì)，為電化學(xué)體系提供足夠的電導(dǎo)率并維持ph的穩(wěn)定，具體投加量根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)和進(jìn)水水體的電導(dǎo)率決定；用于降解污染物的電能消耗通過w＝uit計(jì)算，為0.01-5kwh；用于輸送液體的泵的電能消耗為0.01-5kwh，具體根據(jù)所采用的電催化膜的孔徑大小和跨膜壓差決定。根據(jù)以上消耗的資源、能源及污染物排放，得到電過濾運(yùn)行階段的物質(zhì)能量清單。
13、所述清洗維護(hù)階段是指通過物理沖洗和化學(xué)清洗的手段減輕膜污染，以盡可能恢復(fù)膜通量的過程。該過程包括氣體沖洗、正沖洗、反沖洗、在線化學(xué)清洗、離線化學(xué)清洗，涉及電能消耗、水資源消耗、多種用于膜清洗的化學(xué)品消耗，例如次氯酸鈉、氯化鈉、氫氧化鈉和草酸。氣體沖洗、正沖洗、反沖洗的頻率均為每日3-40次，在線化學(xué)清洗的頻率為1-10日一次，離線化學(xué)清洗的頻率為3-6個月一次，具體頻率根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)和膜通量下降或跨膜壓差升高情況而決定和調(diào)整。根據(jù)以上消耗的資源、能源及污染物排放，得到清洗維護(hù)階段的物質(zhì)能量清單。
14、所述廢棄物處置階段是指電催化膜系統(tǒng)中的任意部分到達(dá)壽命終點(diǎn)后的處理與處置。該過程的對象包括：廢棄電催化膜、廢棄對電極、廢棄參比電極、廢棄膜組件以及在材料制備和清洗維護(hù)過程中產(chǎn)生的廢水。其中電催化膜的使用壽命為3-15年，對電極和參比電極的使用壽命為5-15年，各種膜組件(包括管道、閥門等)的壽命為10-20年。對金屬廢棄物采用回收或填埋的處置方式，對其他固體廢棄物采用填埋的處置方式，對于材料制備和清洗維護(hù)過程中所產(chǎn)生的廢水，可根據(jù)其具體水質(zhì)，將其作為工業(yè)廢水或城鎮(zhèn)生活廢水進(jìn)行處理處置。根據(jù)以上消耗的資源、能源及污染物排放，得到廢棄物處置階段的物質(zhì)能量清單。
15、計(jì)算電催化膜作為陽極的使用壽命tw，具體通過下式計(jì)算得出：
16、
17、式中t0是在測試電流密度j0＝1000ma?cm-2下的加速壽命(150小時)，jw是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模電催化膜濾過程中的常用工作電流密度(10-30m本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種電催化膜水處理的生命周期環(huán)境影響評價方法，其特征在于所述的評價方法是基于電催化膜的總環(huán)境影響負(fù)荷評價模型實(shí)現(xiàn)的，依據(jù)電催化膜的總環(huán)境影響負(fù)荷評價模型得到的結(jié)果，對比電催化膜不同生命周期階段的環(huán)境影響，得到對環(huán)境影響指標(biāo)影響最大的電催化膜生命周期階段，即完成所述的電催化膜去除水中微污染物的生命周期環(huán)境影響評價方法；所述的電催化膜的總環(huán)境影響負(fù)荷評價模型為：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電催化膜水處理的生命周期環(huán)境影響評價方法，其特征在于所述的電催化膜的資源、能源清單如下：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電催化膜水處理的生命周期環(huán)境影響評價方法，其特征在于所述的電催化膜生命周期階段與資源、能源清單的對應(yīng)關(guān)系模型如下：
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種電催化膜水處理的生命周期環(huán)境影響評價方法，其特征在于水泵輸送液體的電能消耗，具體通過下式計(jì)算得出：
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種電催化膜水處理的生命周期環(huán)境影響評價方法，其特征在于降解污染物的電能消耗，具體通過下式計(jì)算得出：
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電催化膜水處理的
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電催化膜水處理的生命周期環(huán)境影響評價方法，其特征在于所述的對水中微污染物的生命周期環(huán)境影響最大的電催化膜的階段為電過濾運(yùn)行階段。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電催化膜水處理的生命周期環(huán)境影響評價方法，其特征在于所述的電催化膜體系為穿流式的電催化膜體系。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種電催化膜水處理的生命周期環(huán)境影響評價方法，其特征在于所述的評價方法是基于電催化膜的總環(huán)境影響負(fù)荷評價模型實(shí)現(xiàn)的，依據(jù)電催化膜的總環(huán)境影響負(fù)荷評價模型得到的結(jié)果，對比電催化膜不同生命周期階段的環(huán)境影響，得到對環(huán)境影響指標(biāo)影響最大的電催化膜生命周期階段，即完成所述的電催化膜去除水中微污染物的生命周期環(huán)境影響評價方法；所述的電催化膜的總環(huán)境影響負(fù)荷評價模型為：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電催化膜水處理的生命周期環(huán)境影響評價方法，其特征在于所述的電催化膜的資源、能源清單如下：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電催化膜水處理的生命周期環(huán)境影響評價方法，其特征在于所述的電催化膜生命周期階段與資源、能源清單的對應(yīng)關(guān)系模型如下：
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種電催化膜水處理的生命周期環(huán)境影響評價方法，其特征在于水泵輸送液體的電能消耗，具體通過下式計(jì)算得出：
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種電催化膜水處理的生命周期環(huán)境影響評價方法，其特征在于降解污染物的電能消耗，具體通過下式計(jì)算得出：
...【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙雨萌，王潤之，李嘉軒，李金闊，馬軍，宮秀學(xué)，龔寶才，郭立志，遲鑫然，
申請(專利權(quán))人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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