電吸附技術及其在水處理中的應用進展

唐振 劉曉茹 曹宇浩 陳計洋 管錫珺

摘要：指出了由于環境的污染和對水資源的需求，電吸附技術作為一種新型的水處理方法日益受到人們的關注。對電吸附技術的發展、原理以及各種電極材料進行了研究，闡述了電吸附技術在生活污水、工業廢水的處理以及在海水淡化中的應用，并對以后的研究方向提出了建議。

關鍵詞：電吸附技術;電極材料;生活污水;工業廢水;海水淡化

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）14-0108-03

1引言

隨著人口的增長和對水資源的大量需求，環境破壞與水資源短缺問題越來越嚴重，并日益威脅著人類的健康與生活，對此，必須積極采取必要的措施來解決環境污染問題，保護水資源。對污染水進行治理就是應對水資源枯竭有效地措施之一。常見的水處理方法有物理處理法、化學處理法和生物處理法。這幾種方法雖然對污染物有著良好的去除效果，但同時也存在著很多的缺點，比如能源損耗大、成本高、易產生二次污染等。電吸附技術作為一種潔凈的水處理技術，可以避免上述缺點，是一種經濟且有效的水處理方法，在去除金屬離子、膠體微粒、溶解鹽類及其它有害離子時效果明顯，并已經在污水處理中得到了廣泛應用。

2電吸附技術的研究

2.1電吸附技術的發展

電吸附技術在20世紀60年代就已經出現，開始以除鹽作為研究目標。在1960～1980年期間，俄克拉馬荷大學對電吸附技術去除水中帶堿性的鹽分進行了大量實驗研究;Y.Oren等對電吸附技術的基礎理論、參數影響和多種電極材料做了深入的探究。至20世紀90年代，對電吸附技術的研究取得了巨大進步，突破了電極材料的選擇及電極結構設計的核心技術。21世紀以來，電吸附技術發展迅速，SangHoon研究了電吸附模型和電吸附模塊的吸附潛能，中國的孫曉慰等在電吸附技術的系統控制和集成等相關方向取得了重大突破。

2.2電吸附原理

根據電吸附技術理論，電極與溶液的接觸點存在著雙電層，具有充電、放電的特點。在電極兩端施加電壓時，電荷會在瞬間重新分布、排列，作為補償，帶電粒子和水中其他帶電物質被電極上異性電荷吸引而轉移到電極上，引起雙電子層電位差的變化，并且形成緊密的雙電子層，這樣離子或帶電粒子就會在電極表面富集濃縮并滯留，達到了降低溶解鹽的濃度、膠體粒子等帶電物質的目的。電吸附技術就是利用此原理降低水中游離離子和帶電粒子，實現了污水脫鹽、去硬和凈化的目的。電吸附技術原理如圖1所示，其中電極材料的吸附容量會隨施加電壓的增加而增大。

2.3電極材料的選擇

電極材料的選擇在電吸附技術實際應用過程中是最為關鍵的一步，電吸附技術處理污水能力的大小取決于電吸附材料吸附能力的大小。在對電吸附技術材料選擇時，電極材料不僅要求導電性好，比表面積大，還應保證的是電極材料化學穩定性好，易于成型，在施加電壓時不會發生法拉第反應。符合這些特性的電極材料有很多，比如石墨電極，活性炭電極等。

2.3.1石墨電極

石墨電極是應用最早的電極材料。它導電性能好、化學性質穩定、可塑性強易加工，在電吸附技術應用初期得到了一定的發展，但石墨電極材料比表面積小，自身吸附能力比較差。因此，隨著活性炭電極的出現，石墨電極逐漸被替代。

2.3.2活性炭電極

活性炭電極內部孔隙較多，具有比表面積大、化學性質穩定、方便易得等優點，是一種廉價的吸附材料，近些年來電極材料制備廣泛采用活性炭。

根據活性炭吸附原理，活性炭吸附是將液體中游離物質凝聚于自身表面，這種吸附是一種自然的吸引力，而且這種吸引力不受活性炭溫度的影響。活性炭基于這種特性，其作為電極材料在施加電壓時對污水中的微小離子去除效果更好。活性炭在吸附時，控制活性炭電極的孔徑大小以實現對不同污染物質特定的吸附非常重要，吸附質分子的大小與活性炭孔隙直徑越接近，越容易被吸附去除。因此，在選擇活性炭電極材料時，應該根據廢水的水質并通過試驗確定。比如對于染料廢水的處理，染料廢水有機物含量較多，應選擇孑L隙發達的炭種;對廢水進行除鹽處理時，溶解鹽顆粒比較小，應選孔隙較小的炭種。另外，活性炭吸附量還與吸附質濃度、液體溫度、pH值等有關，吸附量隨溶液溫度的升高而減少，隨吸附物質濃度的升高而增大，在酸性條件下吸附效果更好。

普通活性炭電極是將活性炭粉末或者活性炭顆粒粘結在一起，制作成的活性炭電極材料難免要摻雜一些粘結劑，阻礙了電流及溶質的傳遞，影響了活性炭導電性能，在制備電極過程中需要加入石墨等導電性能比較好的物質以增強活性炭電極材料的導電性。

2.3.3活性炭纖維電極

活性炭纖維是粉狀活性炭和粒狀活性碳之后新興起的一種高效吸附材料。與一般活性炭電極材料相比，活性炭纖維比表面積更大，孑L隙更加發達。作為電極材料，它的吸附效率更高，吸附能力更強，對污水的處理能力更高，并且對低濃度的物質與活性炭電極材料相比有著更強的吸附能力，而且，活性炭纖維導電性要比普通活性炭要強。所以，活性炭纖維比普通活性炭更適合做電極材料。

以活性碳纖維作為吸附材料時，耗電量極低。張曉曦做過活性炭纖維電極去除氟離子的探究。研究結果顯示在電壓0.6V時去除效果好于電壓為1.5V時的去除效果，且在電壓為0.6V的情況下，氟離子的去除率為38%;電壓為1.5V的情況下，每升水的耗電量為48.4J，可見，活性炭纖維電吸附法能耗是很低的。

3電吸附技術的應用

電吸附除鹽技術在20世紀60年代就已經出現，隨著對電吸附材料和技術的不斷探究，電吸附技術的應用日漸成熟，它不僅可以去除廢水中重金屬離子、溶解鹽類等無機離子，還可以去除廢水中的放射性元素甚至污水中的有機物。最近的研究表明吸附技術也可應用于海水淡化。

3.1電吸附技術對生活污水的處理

電吸附技術發展至今，在處理生活污水時效果較差，因為生活污水普遍含有濃度較高的有機物和懸浮物。根據電吸附技術工作原理，電吸附技術主要通過帶電電極吸附水中的離子及帶電微粒，實現水中帶電物質在電極表面的富集。有機物和懸浮物攜帶的電荷比較少，而且有機物和懸浮物顆粒比較大，被電極材料吸附比較困難，因此電吸附技術在處理生活污水時效果一直不是很理想。柯起龍用電吸附系統攜帶濾膜對污水中懸浮物進行去除效果實驗研究，做實驗的水樣采自于新疆巴里坤縣污水處理廠，結果表明對污水中懸浮物的處理主要靠系統攜帶的濾器進行，而電吸附模塊對懸浮物的去除率僅15%。紹興水處理發展有限公司陳偉做過電吸附技術處理印染廢水的實驗研究，結果表明電吸附技術除鹽率比較高，達到70%以上;而COD去除率只有40%，去除效果較差。對于生活污水，可以結合電吸附技術和生物處理技術共同進行處理，這樣對于生活污水中的有機物去除會比較徹底，而且同時使用電吸附技術還可以去除污水中無機離子、鹽類等微小帶電離子，對生活污水中污染物質的去除更徹底。

3.2電吸附技術對工業廢水的處理

電吸附技術對工業廢水的處理在最近幾年得到了快速發展，工業廢水成分復雜，種類比較多，例如電解鹽工業廢水。電廠工業廢水、重金屬冶煉工業廢水等。電吸附技術對這些工業廢水處理效果比較好，因為這些廢水主要含太量重金屬離子、溶解鹽類及其它有毒有害離子，對人類和環境的危害很大，并且這些離子攜帶大量電荷，容易被電吸附裝置的電極兩端吸附而聚集去除。

針對電吸附技術對工業廢水有害離子的去除，眾多科研人員做過大量實驗研究。劉江等研究了電吸附技術對電廠廢水的處理。電吸附技術對電廠廢水主要進行除鹽處理，水樣采用的是國華準格爾發電有限責任公司循環排污水。結果顯示污水的硬度去除率為78%，堿度去除率為75%，氯離子去除率為79%，平均每噸水耗能2.7kW·h。研究表明電吸附技術能夠有效地去除電廠循環水中的離子，各項指標能夠滿足回用要求，沒有產生二次污染，能耗較低，廢水處理效果良好。陳榕等應用電吸附技術去除水中的重金屬離子以及其它有害金屬，以炭納米纖維為電極，對鉛的去除率達到90%以上，以高比表面積的炭電極處理工業廢水，對低濃度的Mo（Ⅵ）、Cr（Ⅵ）、V（V）均有較高的去除率。

電吸附技術也可以去除水中的砷元素。眾所周知，砷是對人體有害的元素，長期飲用含砷量超標的水會引起慢性砷中毒，嚴重損害人體健康。孫曉慰等取用大青山含砷量超標的自流泉水，并用亞砷酸鈉和砷酸鈉配置了人工高砷水，同時進行電吸附技術去除砷的研究。實驗結果顯示無論是人工配置的高砷水還是天然含砷水，砷的去除效果都很好，最后的出水砷離子濃度都在0.01mg/L以下。

可以看出，電吸附技術對工業廢水中重金屬離子、溶解鹽類等微粒的去除凈化有良好的效果。電吸附技術在工業廢水的處理應用方面有著良好的發展前景。

3.3電吸附技術應用于海水淡化

如今，淡水資源短缺現象日益嚴重，海水淡化技術也因此得到了快速發展。現在常用的海水淡化方法有電滲析法、露點蒸發法、蒸餾法、反滲透法等20多種方法，其中應用最多的方法是反滲透膜法及蒸餾法。運用反滲透膜法進行海水淡化處理有很多的優點，比如操作簡便、耗能低、工藝簡單等。但反滲透膜法也有明顯的缺點：①反滲透膜經長時間使用后會發生阻塞現象，導致脫鹽率下降;②反滲透膜容易發生結垢現象，影響海水淡化工作進程，加入除垢劑和酸后，還會產生二次污染;③易發生膜污染。蒸餾法也有能耗高、操作復雜等缺點。使用電吸附技術對海水進行淡化處理具有操作簡單、能耗低、無二次污染等優點，是一種比較清潔的海水淡化技術。但電吸附方法無法大規模對海水進行淡化處理，而且除鹽率較低。羅剛等曾用石墨電極進行電吸附技術去除不同濃度氯離子的實驗，結果顯示隨著溶解鹽濃度的增加，氯離子去除率呈下降趨勢，當溶解鹽濃度為500mg/L時，氯離子去除率只有70%，而海水中氯離子濃度為15000mg/L以上，氯離子去除率會更小。因此，電吸附技術對海水淡化的處理還處于試驗研究階段，到實踐應用還有很長的一段路要走。

4結語

電吸附技術處理污水具有能耗低、處理效率高、環境友好等特點，對工業廢水處理效果較好，但對于生活污水污染物的去除效果有待完善。目前，應對電吸附技術的吸附過程和吸附原理進行更充分和深入的研究，注重研究更大吸附容量、更高去除效率、更經濟的電極材料。完善電吸附裝置，增強電吸附裝置除鹽效果，使電吸附技術更好地應用于海水淡化。