电吸附除盐.docx

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电吸附除盐

一种电吸附除盐电极模块的设计

　　电吸附模块由导电的平板材料制成，长宽高400×200×2mm，电极板间距6mm，外加水箱，水泵，流量计，进出口电导率仪器，压力计及管道制成。

　　电源电压应低于1.6v，在1.3-1.6v之间可调，电压太高会造成水的电解，会出现气泡，应该绝对避免，电源正负极可自动对换，电极可自动短接。

　　电极设计以增加水通过时间为目的。

　　生产时间360分钟，预排和再生时间共100分钟，为了连续生产，应该有两套相同的设备交替作业。

大流量对水质有影响，应该尽量采用小流量长流程，但过度的长流程没有必要，也不会对水质有好的影响。

　　出水电导率升高超过设定上限时，应停止这路设备的作业，转换到另一路设备进行作业，同时将该路设备电极短接，用原水将其冲洗排除浓水，然后根据出入口电导率停止反冲作业，并将电极极性互换。

电吸附技术电极的制备

　　　　吸附剂材料的选择和电极的制备成型过程是电吸附技术实际应用的关键。

为了能吸附大量带电粒子，吸附剂必须拥有足够大的比表面积，因此采用的吸附剂往往是多孔碳材料，如活性炭、活性碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管等。

　　　　1活性炭电极

　　　　活性炭是水处理中应用最为广泛的吸附剂，有活性炭粉末和活性炭颗粒两种产品形态，具有生产简单、成本低等优点。

Zou等将活性炭颗粒用环氧胶黏在一起，只露出颗粒的一面，作为工作电极。

实验中用KOH溶液和TiO2纳米粒子对活性炭颗粒做了改性处理，结果都提高了吸附容量。

Zou等还用有序中孔活性炭做电极，研究表明：

有序中孔活性炭和普通活性炭的比电容分别为133F／g和107F／g；在1.2V电压条件下，对质量浓度为20mg／L的NaCI溶液的吸附容量分别为11.6μmol／g和4.3μmol／g。

　　　　Park等将活性炭粉末与聚四氟乙烯、碳黑以不同比例混合，用去离子水和无水乙醇作溶剂，将混合物搅拌lh使其均匀，然后滚压数次成为片状，加压放置后制成电极。

当活性炭粉末与聚四氟乙烯、碳黑的质量比为84：

4：

12时，通过循环伏安测试得到的电容和电吸附除盐率最高，均为市售碳布的2倍。

　　　　2碳气凝胶电极

　　　　碳气凝胶具有高比表面积（400～1100m2／g）、低电阻、纳米级孔洞、高电容等特点，因为孔洞相连，容易控制孔径和密度，是理想的电极材料。

Ying等将市售的两种不同比表面积的碳气凝胶薄片压在钛板上作为工作电极，研究被吸附离子种类、浓度及所加电压对电吸附的影响。

王万兵等¨训用糠醛和酚醛树脂为原料，无水盐酸为催化剂，正丙醇为溶剂，85℃恒温水浴下老化5—7d，并经过超临界石油醚干燥、碳化等步骤制得碳气凝胶。

将制得的碳气凝胶切割成不同厚度的薄片，用导电胶将切片黏于石墨纸上，即得碳气凝胶电极。

他用此电极研究了电压、NaCl浓度和电极厚度对电吸附的影响。

　　　　3活性碳纤维电极

　　　　活性碳纤维有高比表面积和较大的吸附容量，并且活性碳纤维制品种类众多，有毛毡（无纺布）、纸片、蜂窝状物、织物、杂乱的短纤维和纤维束等形状，因为可以直接剪成合适的尺寸做电极片，使得活性碳纤维作为电吸附电极更简单方便，易于实现。

　　　　Han等用传统的三电极体系研究活性碳纤维电极的电吸附（活性碳纤维为中国鞍山活性碳纤维厂生产）。

实验先将活性碳纤维用质量分数为5％的HCl煮，经去离子水清洗后再用质量分数为5％的NaOH煮，最后用去离子水煮。

将处理后的（25±0．5）mg的活性碳纤维片连接一铂丝作为工作电极，对rr／一甲酚的电吸附行为进行研究，实验结果表明，电化学极化能有效提高吸附容量。

Ahn等和Oh等用活性碳纤维布（活性碳布）做电极处理NaCl溶液（活性碳布为日本Kuraray公司生产）。

实验中用1mol／L的KOH和HN03溶液对活性碳布进行改J陛，在1．5V的电压下处理电导率为2000μs/cm和6000μs/cm的NaCI溶液。

　　　　Allia等研究了用活性碳布做电极吸附水溶液中除草剂噻草平（活性碳布由法国ACTITEX提供）。

用去离子水冲洗和过硫酸铵氧化进行前处理后，剪成合适尺寸，贴在金片上即为工作电极。

实验结果表明，碳布的阳极极化明显提高了对噻草平的吸附率。

　　　　Ryoo等用Ti02溶胶对活性碳布进行改性研究（活性碳布为日本Kuraray公司生产）。

将活性碳布裁成5cm×5cm，使活性碳布在搅拌状态下与含TiO：

溶胶的醇盐反应24h，再用无水乙醇洗掉未反应的醇盐，烘干后压在同样大小的钛网上作为电极。

实验结果表明，活性碳布改性后物理吸附明显降低而电吸附明显提高。

　　　　4碳纳米管电极

　　　　碳纳米管具有特殊的中空结构、大的比表面积、低电阻率和很高的稳定性，广泛应用于电池材料、储氢材料、平面显示器材料、化学传感器材料和超大容量电容器材料等领域。

　　　　Ozoemena等研究了固定在热解石墨片上的单壁纳米管电极对四氨基酞菁钻的优先电吸附。

实验将单壁纳米管长度变短，酸洗纯化后将石墨板制成一容器形状，将单壁纳米管固定在石墨上，用一铜丝相连作为工作电极。

研究发现，四氨基酞菁钴与单壁纳米管侧壁的强π-堆叠作用是优先吸附过程的主要原因。

　　　　Zhang等和Dai等制备了直径为40~60nm的高质量、大长径比的多壁碳纳米管。

将经硝酸前处理的碳纳米管用球磨机粉碎，以酚醛树脂为胶黏剂、乌洛脱品为固化剂，通过热压法制成电极，然后在850℃的吸附效果提高很多。

Wang等也制备了直径为30nm、长度为几微米的碳纳米管，并用HNO，浸泡以去除催化剂Ni粒子，再和聚四氟乙烯按质量比95：

5混合，制成电极，将电极压在0.8mm厚的Ti网做工作电极，在不同电电压下对不同初始浓度的NaCI溶液进行了吸附研究。

　　　　5复合电极

　　　　Yang等制备了比表面积为900—1700m2／g、密度为0．05g／cm3的碳气凝胶。

再将硅胶按不同比例加入到碳气凝胶中，通过黏贴滚压法即可制成电极。

该方法可简化生产程序，提高润湿性、机械强度和电吸附效率。

实验结果表明，加入50％硅胶的复合电极电容去离子过程表现出良好性能。

　　Zhang等和Dai等用活性炭和碳纳米管制备了复合电极片。

研究结果表明，含质量分数为10％碳纳米管的复合电极的除盐性能最好，并且很容易高效再生。

　　　　Gao等用碳纳米管和纳米纤维制备了复合薄膜电极（CNTs—CNFs）。

实验中用直流式磁控电镀法在0．3㎜厚的石墨基底上沉积一薄层Ni催化剂，再用低压低温热化学气相沉积法制备CNTs-CNFs薄膜电极。

该电极用0．5mol／L的HCI浸泡去除催化剂Ni之后，用于研究不同阳离子的优先吸附特性。

电吸附除盐技术的优缺点

　　电吸附技术，是一种新型的技术，其核心是利用带电电极吸附异性带点离子的谁处理技术。

　　其设备的设计依据来源于实验。

　　目前此技术的不足之处，有以下几点。

　　1、系统除盐率不够高，一般为60%-75%，同时出除效率，一般来言对氯离子的去除率是最高的。

且，脱盐率受硬度的影响比较明显。

对高硬度的水处理效率降低。

　　2、再生时间长，浓水排放量大。

一般来言，系统再生时间为36-42min,后续过程影响比较严重。

　　3、内部电极板与水接触不容易实现均匀。

　　电吸附除盐技术：

ElectrosorbTechnology，简写为：

EST技术。

　　电吸附除盐的基本原理是利用原水在阴阳电极之间流动，通电时水中离子将分别向带相反电荷的电极迁移并被该电极吸附在电极表面所形成的双电层。

随着离子或带电粒子在电极表面富集浓缩，使通道水中的溶解盐类、胶体颗粒及其他带电物质的浓度大大降低，从而实现了水的除盐、去硬度及净化。

再生时短接电极，被吸附的离子又从电极表面释放，电极得到再生。

　　除盐率大概为70%，产水率75%，去除硬度65%，COD去除40%左右，硫酸根70%，氯离子70%。

　　性能上与RO存在差异，但是这种技术的前处理要求低，操作便利，常压运行，关键是投资和运行成本较低。

对于对硬度和盐度要求不高的用户是比较好的，起码前处理就可以省不少钱。

但是在出水水质方面肯定不如RO。

　　电吸附除盐，也只能用作除盐领域的预处理，其核心是电极材料，很多国家和公司都在研究，但是工程应用基本没有，因为材料价格太高，一般客户根本无法接受，当然也有此技术本身的局限性的原因。

要想此技术真正应用到工程上，恐怕还得一段路要走.

　针对各特定的应用场合可根据需要将模块作任意组合以实现处理目标，当需要处理水量大时，或需要连续供水时，则必须采用两个或以上的工作模块并联运行工作方式，一个模块在再生，另外的模块在工作，这种模块化并联运行设计组成的设备就可以不间断地供水和成倍的增加处理量。

运行试验表明EST模块并联运行时处理水量可成倍地增加，单位出水的耗电量保持不变。

　　而当处理水中含盐量杂质较多，而要求出水的纯净程度又较高时，单级EST模块处理往往难以保证其可靠性和经济性，如处理海水、地下苦咸水获取高纯水，此时就必须采用多级EST模块串联运行的方式。

试验表明上ST模块串联运行处理水单级单位耗电量几乎不变，而处理深度将会随串联节数递增。

电吸附技术在水处理中的应用

1、电吸附水处理的原理

　　电吸附技术EST（Electro-SorptionTechnology），也可称电容去离子技术CDI（CapacitiveDeionization）。

它是利用带电电极表面吸附水中离子及带电粒子的现象，使水中溶解盐类及其它带电物质在电极的表面富集浓缩而实现水的净化/淡化的一种新型水处理技术。

　　电吸附水处理的原理

　　EST技术是利用带电电极表面吸附水中离子或带电粒子的现象，使水中溶解的盐类及其它带电物质在电极表面富集浓缩而实现水的净化或淡化。

图1为电吸附水处理的原理示意图。

原水从一端进入由阴、阳电极形成的通道，最终从另一端流出。

原水在阴、阳电极之间流动时受到电场作用，水中离子或带电粒子将分别向带相反电荷的电极迁移，被该电极吸附，储存在电极表面所形成的双电层中。

随着离子/带电粒子在电极表面富集浓缩，使通道水中的溶解盐类、胶体颗粒及其它带电物质的浓度大大降低，从而实现了水的除盐及净化。

　　图1电吸附水处理技术原理示意

　　2、电吸附水处理技术（EST）的特性

　　运行能耗低，水利用率高

　　EST技术的能耗很低，其主要的能量消耗在于使离子发生迁移，而在电极上并没有明显的化学反应发生，如有必要还可以将所用的能量回收一部分过来，即将吸附饱和的模块上储存的电能再加到另一再生好的模块上，也即所谓的“秋千式”供电方式。

这与其它除盐技术相比可以大大地节约能源。

一个实验模块以50t/h流量、85%除盐率处理TDS为1000㎎/L的原水时，能耗仅约为60W。

其根本原因在EST技术净化/淡化水的原理是有区别性地将水中离子提取分离出来，而不是把水分子从待处理的原水中分离出来。

　　水利用率高

　　EST技术可以大大提高水的利用率，一般情况下水的利用率可以达到75%以上；如采用适当的工艺组合，甚至可达90%以上。

　　无二次污染

　　EST技术不需任何化学药剂来进行水的处理，从而避免了二次污染问题。

EST系统所排放的浓水系来自于原水，系统本身不产生新的排放物。

与离子交换技术相比，省去了浓酸、浓碱的运输、贮存、操作上的麻烦，而且不向外界排放酸碱中和液。

　　操作及维护简便

　　由于EST系统不采用膜类元件，因此对原水预处理的要求不高，而且即使在预处理上出一些问题也不会对系统造成不可修复的损坏。

铁、锰、余氯、有机物、钙、镁、FG值等对系统几乎没有什么影响。

在停机期间也无需对核心部件作特别保养。

系统采用计算机控制，自动化程度高，对操作者的技术要求较低。

从理论上讲，EST模块可以长期服役，预期寿命至少在20a以上。

　　3、电吸附技术EST适用条件及范围

　　对现阶段经过试验和实际应用的数据统计分析，EST对所处理的进水要求电导率≤500μS/㎝、COD≤100㎎/L、浊度≤5NTU、SS≤5㎎/L、油≤3㎎/L，处理后电导率可减少60%~80%、浊度≤2NTU、SS≤2㎎/L、油≤2㎎/L。

处理效果与综合的水质影响因素、EST设备工艺的组合有关。

　　按照进水的水质、来源和工艺用途不同，EST可用于：

（1）循环冷却水系统的补水预处理。

通过电吸附法降低补水含盐量，可以改善水质，以利进一步提高循环水的浓缩倍数，减少补水量和排污水量。

（2）循环冷却水系统的排污水再生会用。

经过除盐处理的排污水回用于循环冷却水系统替代新鲜补水，可以减少新水消耗和污水排放量，进一步提高循

　　环水的循环利用率。

　　（3）市政、工业污水处理。

对于COD及含盐量较高的工业废水，传统的水处理技术因COD高而影响盐分的去除，电吸附能除去废水中的高盐分，使生化法可行，二级生化处理后的污水经电吸附除盐，可作为循环水系统的补水或生产工艺用水回用。

　　（4）与高效反渗透技术（HERO）配套。

用于反渗透进水的预处理，降低其硬度、TOC等，可稳定反渗透系统运行、提高出水水质和产水率、降低运行维护成本、延长膜的使用寿命。

　　（5）工业用水处理。

纺织印染、轻工造纸、电力化工、冶金等行业都需要大量的除盐水或纯水作为工艺用水。

根据不同水质标准，电吸附水处理技术可以与传统的除盐技术相结合，以降低运行成本。

　　（6）饮用水净化。

电吸附技术可以用于饮用水深度处理，去除过量的无机盐类，如钙、镁、氟、砷、钠、硝酸盐、硫酸盐、氯化物等，甚至使一些因无机盐类超标的水源得以有效利用。

　　（7）苦咸水淡化。

电吸附技术具有耐钙、镁、硫酸盐等物质结垢的特点，在苦咸水特别是矿坑水等高含盐量和有机物水的淡化方面具有诱人的应用前景。

EDI电除盐系统

　　EDI（Electrodeionization）又称连续电除盐技术，它科学地将电渗析技术和离子交换技术融为一体，通过阳、阴离子膜对阳、阴离子的选择透过作用以及离子交换树脂对水中离子的交换作用，在电场的作用下实现水中离子的定向迁移，从而达到水的深度净化除盐，并通过水电解产生的氢离子和氢氧根离子对装填树脂进行连续再生，因此EDI制水过程不需酸、碱化学药品再生即可连续制取高品质超纯水，它具有技术先进、结构紧凑、操作简便的优点，可广泛应用于电力、电子、医药、化工、食品和实验室领域，是水处理技术的绿色革命.

　　与反渗透（RO）技术结合使用该技术也叫做填充床电渗析

　　EDI优点：

　　出水水质具有最佳的稳定度。

　　能连续生产出符合用户要求的超纯水。

　　模块化生产，并可实现全自动控制。

　　不需酸碱再生，无污水排放。

　　不会因再生而停机。

　　无需再生设备和化学药品储运。

　　设备结构紧凑，占地面积小。

　　运行成本和维修成本低。

　　运行操作简单，劳动强度低。

　　EDI设备工作原理高纯度水对许多工商业工程非常重要，

　　比如：

半导体制造业和制药业。

以前这些工业用的纯净水是用离子交换获得的。

然而，膜系统和膜处理过程作为预处理过程或离子交换系统的替代品越来越流行。

如电除盐过程（EDI）之类的膜系统可以很干净地去除矿物质并可以连续工作。

而且，膜处理过程在机械上比离子交换系统简单得多，并不需要酸、碱再生及废水中和。

EDI处理过程是膜处理过程中增长最快的业务之一。

　　　　EDI是带有特殊水槽的非反向电渗析（ED），这个水槽里的液流通道中填充了混床离子交换树脂。

EDI主要用于把总固体溶解量（TDS）为1-20mg/L的水源制成8-17兆欧纯净水。

通常水源是由反渗透（RO）产生。

ED和EDI都是用直流电作为除盐的能源。

如图所示，溶液中的离子被吸向带相反电荷的电极。

用阴、阳离子选择膜把电极之间的空间隔成小室，这样可以把一半小室中的盐除去，而在另一半小室内浓缩。

不断地给小室供水和抽水，就可以建立连续的除盐处理过程ED和EDI中用的膜是用离子交换树脂制成片状，通常为了增加强度会在树脂片上附一层布。

ED和EDI的物理区别（如图2）主要在于除盐室里填充的是混床离子交换树脂珠。

　　　　离子的转移分为2个步骤。

首先离子扩散到离子交换树脂，然后在电场作用下穿过树脂到达膜。

因为这样的电阻较小，电流会流过离子交换树脂。

EDI的浓缩室中没有树脂。

EDI中水电离的作用要理解EDI和它的用土，就必须理解"水的电离"。

水电离后就会变为氢离子和氢氧根离子。

如果离子在结合为水以前被分离、就会形成酸和碱。

在ED和EDI中，如果电流超过了移动溶解盐所需的能量，水就会电离。

在ED过程中在阴离子交换膜上有较低电流时就会发生水的电离，原因尚未找出。

在ED系统中过大的电流会引起水的电离。

氢离子在直流电场的作用下进入离子交换树脂，并在那与碳酸氢根离子反应生成CO2。

这会降低水的pH值。

氢氧根离子进入阴离子交换膜并与碳酸氢根离子反应生成碳酸根离子。

如果水中存在Ca2+，一部分Ca2+就会从浓缩室中进入阴离子交换膜。

阴离子交换膜并不能100%阻隔阳离子。

这就使CaCO3沉积在膜内部。

如果水中没有钙或碳酸氢根，氢离子会穿过扩散流通道和阳离子交换膜而进入浓缩室。

而OH-会通过阴离子交换膜进入浓缩室。

两者会在浓缩室中结合成水。

　　　　在EDI池中电流是通过离子交换珠的。

所以在离子交换珠互相接触的地方和交换珠与膜接触的地方，如果有较大的电流，水就会电离。

在较强电流的作用下，离子交换树脂不断地被酸或碱再生。

与溶液中的盐一起进入浓缩室中的H+和OH-离子结合为水。