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電吸附除鹽技術

電吸附除鹽技術(Electrosorb Technology),簡稱(EST),又稱電容性除鹽技術(Capacitive Deionization/Desalination Technology),是20世紀90年代末開始興起的一項新型水處理技術。該技術利用通電電極表面帶電的特性對水中離子進行靜電吸附,從而實現水質的凈化目的。由于該技術采用了全新的水處理概念,在處理效率、適應性、能耗、運行維護以及環境友好等方面有著獨特的優勢,具有良好的應用和發展前景,尤其在污(廢)水再生回用方面有望得到廣泛的應用。常州愛思特凈化設備有限公司從2001年起開始進行該項技術的研究開發和實際應用工作,至今已在飲用水深度處理、工業/市政廢水處理等方面進行了一定規模的應用。本報告旨在對該項技術的研究過程和在污(廢)水回用處理方面的工程試驗和實際應用結果作一總結,并對該技術的發展前景和市場潛力進行初步探索,請予指正。
2.    污(廢)水除鹽技術的發展簡述
2.1. 應用現狀
隨著經濟的發展和人口的膨脹,工業及生活所需的淡水資源日益匱乏,水資源凈化已經成為世界范圍內普遍關注的問題。解決水資源匱乏的方法有很多,其中污(廢)水回用及開發中水資源,即提高水的重復利用率是當前許多國家解決水資源短缺的有效途徑。水處理技術的不斷成熟,特別是近年來高級氧化、膜分離等高級處理技術的發展給城市、工業污水的達標排放處理提供了新的技術手段。然而,雖然水中的許多污染物可以通過傳統的混凝、沉淀、過濾、吸附等方法去除,但對于水質要求較高的回用場合,如對于溶解在水中的鹽的去除則需要采用適當的除鹽手段來實現。常見的水的除鹽方法有蒸餾、反滲透、電滲析、離子交換等。在工業界已有用超濾/微濾與反滲透(雙膜法)進行污(廢)水除鹽處理的實踐,通過采用超濾、微濾來降低污(廢)水對反滲透膜的污染,取得了一定的經驗。然而,由于雙膜法用于污(廢)水回用時工藝復雜,運行成本高、得水率較低,膜組件的使用壽命與常規水處理時相比要短得多,同時需要采用大量還原劑和阻垢劑,使濃水的排放難以達到環保要求。因此,在污(廢)水回用領域,存在著技術經濟上不盡合理的問題。
從20世紀60年代電吸附除鹽技術面世到今天,電吸附在許多領域得到了初步的應用,如將電吸附作為除鹽手段應用于管道直飲水、礦泉水、苦咸水淡化等不同的場所。近年來,隨著對電吸附除鹽技術的性質與功能的研究的進一步深入,電吸附除鹽技術在污(廢)水回用處理領域的應用正逐漸展開。
2.2. 主要問題
污(廢)水除鹽技術市場發展目前存在的主要問題是:污(廢)水的成分比一般自來水和天然地表(下)水要復雜得多,傳統污水除鹽技術在該領域應用時,易受水中有機物、油類等物質的影響而造成污堵,造成設備在產水量、得水率及使用壽命不能滿足設計要求。同時對預處理的要求很高,又需要投放大量藥劑,不僅增加工程的總體投資,也使運行成本居高不下。因此,尋找一種對原水耐受性好,既能以較低的運行成本對污(廢)水進行除鹽又對環境友好的除鹽技術成為業界的一個重要課題。
3.    電吸附除鹽技術及其研究與發展
3.1. 電吸附除鹽技術原理
水處理中的鹽類大多是以離子(帶正電或負電)的狀態存在。電吸附除鹽技術的基本思想就是通過施加外加電壓形成靜電場,強制離子向帶有相反電荷的電極處移動,使離子在雙電層內富集,大大降低溶液本體濃度,從而實現對水溶液的除鹽。
電吸附原理見圖3.1,原水從一端進入由兩電極板相隔而成的空間,從另一端流出。原水在陰、陽極之間流動時受到電場的作用,水中離子分別向帶相反電荷的電極遷移,被該電極吸附并儲存在雙電層內。隨著電極吸附離子的增多,離子在電極表面富集濃縮,最終實現與水的分離,獲得凈化/淡化的產品水。
 
 
圖3.1 電吸附基本工作原理示意圖
 
在電吸附過程中,電量的儲存/釋放是通過離子的吸/脫附而不是化學反應來實現的,故而能快速充放電,而且由于在充放電時僅產生離子的吸/脫附,電極結構不會發生變化,所以其充放電次數在原理上沒有限制。另外,在短時間內過電壓一般不會對裝置產生不良影響。溫度對離子的吸脫附速度影響不是很大,故其容量變化也相對小得多。
根據Gouy-Chapman-Stern模型,在一個理想的等價離子電解質溶液雙電層系統中,電極表面電荷量與電極電位、離子濃度、溫度等參數之間有如下關系式:
qM=+(8RTε)1/2(Cb)1/2sinh(zFΦ2/2RT)   (3-1)
其中:qM為電極表面電荷量,ε為溶液介電常數,Cb為溶液離子濃度,z為離子電荷數,Φ2為擴散層電勢差,R為氣體常數,T為絕對溫度。
從(3-1)式可以看出,雙電層內可集聚的離子數量與離子的濃度和在電極上所施加的電勢密切相關。當體系的溫度、電勢為一定時,(3-1)式可簡化為:
qM=k(Cb)1/2 (3-2)
如果假設電極電荷密度與電極表面所集聚的離子量成正比,則有
S=K(Cb)1/2    (3-3)
其中S為雙電層內離子的集聚密度,也即離子吸附量。
從(3-3)式可以看出,在等溫等電勢條件下,電極對離子的電吸附量與溶液離子濃度平方根成正比關系,與Frundlich吸附等溫線相似。當電極表面電位達到一定值時,雙電層離子濃度可達溶液體相濃度的成百上千倍。當含有一定量鹽類的原水經過由高功能電極材料組成的電吸附模塊時,離子在直流電場的作用下被儲存在電極表面的雙電層中,直至電極達到飽和。此時,將直流電源去掉,并將正負電極短接,由于直流電場的消失,儲存在雙電層中的離子又重新回到通道中,隨水流排出,電極也由此得到再生。
電吸附模塊處理效果的好壞主要取決于電極的吸附性能。通常,對材料吸附能力的描述是用等電勢吸附等溫線來進行描述的,而對電吸附來說,除了要考慮到溫度的影響外,還必須考慮電極電勢的影響。因此,本技術的研究是從通過測定等電勢吸附等溫線,了解掌握電極材料的電吸附性能著手。
圖3.2示出電極材料對氯化鈉的等電勢吸附等溫線。實驗條件為溫度25℃,電極電壓1.0V。通過對曲線的回歸計算,得出吸附量與平衡濃度的關系,如(3-4)式所示,吸附量與平衡濃度呈平方根關系,符合上述雙電層理論計算式的預測。
      (3-4)
式中:mad-每克電極材料的吸附量,mg/g;
C-氯化鈉溶液的平衡濃度,mg/L。
 

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