高電壓電容吸附法處理模擬含鹽廢水

齊 菲，劉舒華，徐炎華，趙賢廣

（南京工業大學 環境學院，江蘇 南京 210009）

目前，我國含鹽廢水產生量逐年增加，來源也更為廣泛，涉及印染、農藥、化工生產、石油和天然氣開采、食品加工等行業［1］。這些含鹽廢水中常含有大量有機物，如直接采用生物法進行處理，鹽類物質會進入生化過程，對微生物產生抑制作用，影響生化處理效果，導致出水難以達標排放。目前，工業上常用加水稀釋、蒸餾、電吸附、離子交換、超濾和反滲透等方法對含鹽廢水進行預處理，處理后的廢水能夠進行后續常規生化處理。但加水稀釋造成了凈水資源的浪費，蒸發除鹽過程中會產生大量危險廢物，電吸附裝置復雜且運行操作不便，超濾和反滲透存在膜污染等問題［2］。因此，尋求更加經濟高效的除鹽方法成為研究的熱點。

近年來，一種新興的除鹽技術——電容吸附除鹽法得到很大發展。它具有以下優點：產水率高、能耗低［3］；除鹽性能良好；生產過程綠色無污染，對進水水質要求不高，再生時不消耗藥品；電極間距寬，不易堵塞［4］。該技術目前在工程上主要用于廢水深度處理和回用。但電容吸附法采用電極直接與溶液接觸的方式，外加電壓不得超過1.6 V，否則溶液中會產生電流，發生電解反應而增加能耗，而且還會對電極造成損耗。

本工作針對電容吸附法的缺點，采用絕緣電極代替傳統電極，通過電極的絕緣處理，使電極不與溶液直接接觸，并能夠在高電壓下直接運行。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

NaCl：分析純，以NaCl溶液模擬含鹽廢水。

GPS-2303C型直流電源供應器：上海宇醇電子科技有限公司；DDS-11C型電導率儀：上海三信儀表廠。

1.2 實驗原理

在電化學體系中，在電極與溶液的交界處由于固液兩相的化學勢不同而存在雙電層。雙電層具有電容的特性，可充電或放電。因此對電極施加電壓時，在不發生電化學反應的情況下，水中離子將會富集在電極-溶液界面［5-6］，即充電過程。當模擬廢水進入陰陽電極之間的通道中，廢水中離子或帶電粒子在電場力作用下朝電荷相反的電極一端移動，并吸附在電極表面的雙電層中，從而獲得凈化或淡化后的出水。當電極-溶液界面達到飽和或者去除電壓時，被雙電層所吸附的離子會釋放到溶液中產生濃鹽水［7］。這樣雙電層在放電過程中得以再生，廢水在這種充放電過程中實現了除鹽及凈化。

1.3 實驗裝置及方法

實驗裝置見圖1。電極材料為石墨或不銹鋼，表面采用有機高分子薄膜包裹進行絕緣處理。電極板尺寸為55 mm×80 mm，極板間距為2 cm。過水通道與電極間用陰/陽離子膜相隔，離子膜與電極板之間留有空間，在吸附過程中可在電極附近形成靜止液層，使電極附近的離子吸附層不受流體流動產生的影響，保證更穩定的除鹽效果。配置不同濃度的模擬廢水，由蠕動泵送入反應器內，電極接入外加直流穩壓電源，進行吸附脫鹽反應。吸附飽和后去除電壓，放電反沖洗，將處理后的濃鹽水排出。

圖1 實驗裝置

1.4 分析方法

采用電導率儀測定模擬廢水電導率，按照式（1）計算模擬廢水中的NaCl質量濃度。

式中：к為電導率，S/m；ρ為NaCl質量濃度，mg/L。

2 結果與討論

2.1 外加電壓對出水電導率的影響

在一定的極板間距下，電壓越大，則兩極板間電場強度越大，對離子的吸引力也越大，因此對NaCl的脫除效果越好。但已報道的電容吸附法，由于電極與溶液直接接觸，外加電壓不能太高［8-11］。劉海靜等［12］的研究結果表明，當外加電壓超過1.6 V時水中就會出現小氣泡，即發生了水的電解。水解過程會改變溶液pH，對電極造成損害。

本工作通過靜態實驗（廢水流速為0）研究不同外加電壓下的除鹽效果。在NaCl質量濃度為500 mg/L、反應溫度為25 ℃的條件下，外加電壓對出水電導率的影響見圖2。

圖2 外加電壓對出水電導率的影響

由圖2可見，反應時間越長，出水電導率越低；當外加電壓為60 V時，處理150 min后出水電導率為82.7 μS/cm，出水NaCl質量濃度約為40 mg/L，去除率達90.0%以上；在相同反應時間條件下，外加電壓越大，出水電導率越低。因此，可通過增大電壓來提高脫鹽效果。當外加電壓提高至60 V時，仍沒有水的電解現象產生，電極未發生腐蝕。

2.2 廢水流速對出水電導率的影響

在NaCl質量濃度為80 mg/L、外加電壓為60 V、反應溫度為25 ℃的條件下，廢水流速對出水電導率的影響見圖3。由圖3可見，隨廢水流速的增大，電導率逐漸升高。廢水流速越大，在反應器內的停留時間越短，而在一定的電壓條件下，離子到達電極表面的時間不變，因此，停留時間的縮短導致大部分離子未被吸附就流出反應器，降低了廢水處理效果。

圖3 廢水流速對出水電導率的影響

2.3 反應溫度對出水電導率的影響

在NaCl質量濃度為80 mg/L、外加電壓為60 V、廢水流速為36 m/s的條件下，反應溫度對出水電導率的影響見圖4。由圖4可見，不同反應溫度下的出水電導率相差不大，說明溫度對脫鹽效果的影響不大。因為當溫度升高時，離子更加活躍，有利于離子向電極擴散，但同時離子也易于從電極表面脫離重回溶液中，兩種作用相互抵消，導致溫度對出水電導率的影響不明顯。

圖4 反應溫度對出水電導率的影響

2.4 NaCl質量濃度對出水電導率的影響

在外加電壓為60 V、反應溫度為25 ℃、廢水流速為36 m/s的條件下，NaCl質量濃度對出水電導率的影響見圖5。由圖5可見：在相同反應時間條件下，進水NaCl質量濃度越低，出水電導率越低，即出水NaCl質量濃度越低；隨反應時間的延長，出水電導率先降低后升高，當反應時間為30 min時電導率最低。

圖5 NaCl質量濃度對出水電導率的影響

廢水經多級電容吸附除鹽法處理后會達到更好的除鹽效果。在NaCl質量濃度為80 mg/L、外加電壓為60 V、反應溫度為25 ℃、廢水流速為36 m/s的條件下，一級處理和二級處理的除鹽效果比較見圖6。由圖6可見：二級處理的除鹽效果明顯優于一級處理；相同反應時間內，二級處理后的出水電導率更低；當反應時間為30 min時，一級處理和二級處理的出水電導率分別為82.4 μS/cm和33.8 μS/cm。一級處理和二級處理的出水NaCl質量濃度分別為39 mg/L和16 mg/L，NaCl去除率分別為51.3%和80.0%。因此對于處理水量較大的廢水時可采用多級裝置連續運行。

圖6 一級處理和二級處理的除鹽效果比較

3 結論

a）通過對電極進行絕緣處理，采用高電壓電容吸附法處理含鹽廢水。外加電壓的增大有利于除鹽效率的提高；外加電壓為60 V時，NaCl去除率可達90.0%以上。

b）增大廢水流速對吸附效果不利，反應溫度對處理效果影響不大。

c）采用多級電容吸附除鹽法處理廢水會達到更好的除鹽效果。在NaCl質量濃度為80 mg/L、外加電壓為60 V、反應溫度為25 ℃、廢水流速為36 m/s、反應時間為30 min的條件下，經一級處理和二級處理后出水的NaCl質量濃度分別為39 mg/L和16 mg/L，NaCl去除率分別為51.3%和80.0%。

［1］ 晁雷，邵雪，胡成，等. 高鹽廢水處理工藝技術研究進展［J］ .安徽農業科學，2011，39（31）：19387 -19389，10404.

［2］ 趙雪娜，倪文，林庚，等. 電吸附技術在含鹽水除鹽中的應用與研究進展［J］. 工業水處理，2008，28（3）：5-8.

［3］ 許春玲，張小勇. 電容吸附法脫鹽技術研究進展［J］.廣州化工，2011，39（12）：17-19.

［4］ 代凱，朱光平，Graham Dawson，等. 液流式電容法脫鹽性能的研究進展［J］. 材料導報， 2011，25（7）：44-47.

［5］ Arndd B B. Studies on the electrochemistry of carbon and chemically modified carbon surfaces［J］. J Phys Chem，1961，65：135-138.

［6］ Johnson. The electrosorb process for desalting water［R］. US： Report No.516 Off i ce of Saline，1968.

［7］ 尹廣軍，陳福明. 電容去離子研究進展［J］. 水處理技術，2003，29（2）：63-65.

［8］ 查振林. 磁場-電場協同吸附去除水中離子的研究［D］.武漢： 武漢理工大學資源與環境工程學院，2005.

［9］ Adolf Kisza. The capacitance of the electric double layer of electrodesin moltensalts［J］. J Electroanal Chem，2002，534（2）：99-106.

［10］ 趙亭月，張凌曉，張愛民. 電吸附技術在水處理中的應用［J］. 山東水利，2003（2）：35-36.

［11］ 孫曉慰，朱國富. 電吸附水處理技術的原理及構成［J］. 工業用水與廢水，2002，33（4）：18-20.

［12］ 劉海靜，張鴻濤，孫曉慰. 電吸附法去除地下水中離子的試驗研究［J］. 中國給水排水，2003，19（11）：36-38.