電吸附技術在反滲透濃水處理中的應用探究

趙瀟然 王彎彎 龐 昊 于海琴 劉政修 郭 強

（1. 北京京能能源技術研究有限責任公司，北京 100022；2. 河北涿州京源熱電有限責任公司，河北 涿州 072750；3. 北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044）

0 引言

反滲透技術以成熟、穩定、高效等優勢廣泛應用于火力發電廠鍋爐補給水處理工藝，是全膜法或雙膜法工藝的重要組成部分；除此之外，反滲透也是飲用純水制備、海水淡化、污水深度回用、電子工業高純水制備等領域的主流技術[1]。

然而反滲透技術在獲得除鹽水的同時也產生了相當數量的濃廢水。基于環保要求及電廠零排放的目的，反滲透濃排水處理成為當前水處理的一項重要內容[2]。目前反滲透濃排水處理處置方式主要有直接排放（地表水或污水處理系統排放、深井注射以及深海排放等）、資源化利用（制鹽、元素提取、綜合利用等）和直接處理（淡化回用-濃縮減量化），但是各回用或處置技術方法都有其局限性或缺點，以化學或物理化學理論為基礎的資源化處置方式很多仍停留在實驗室階段，并沒有形成商業化與產業化[3,4]。尤其是濃水反滲透減量化處理，必須解決易結垢的問題。在世界范圍的反滲透濃鹽水產生量越來越大的前提下，進一步尋找經濟、技術可行的新技術也是目前及今后相當長時間內水處理領域研究的重點[5-10]。

電容吸附技術是一種新興的、環保的脫鹽技術，技術上、經濟上可行，模塊化裝置可以靈活設置，并且避免了傳統脫鹽技術能耗高，材料需要酸堿再生的缺點；電吸附過程中陰陽離子各自向不同電極遷移，累積后沒有交集，避免了系統結垢問題，是一種有潛力又期待發展成熟的水處理技術[11-14]。

本文通過現場中試，研究電容膜吸附技術在電廠反滲透濃水回用處理應用的可行性，為電廠反滲透濃鹽水處理、回用及資源化利用提供參考，并期望達到降低設備投資、降低運行成本的目的。

1 試驗材料及方法

本課題項目所用中試試驗裝置為采購的商業化電容去離子中試設備。中試裝置采用連續進水，連續出水的方式運行。

試驗用水為涿州京源熱電有限公司鍋爐補給水反滲透濃水，試驗水質如表1所示。試驗過程中主要調節設備操作電流、進水流量和處理時間，在預處理和吸附凈化階段，濃水中的離子和帶電粒子被吸附在電吸附模塊的電極板上；排污階段通過改變電流方向，使吸附在電極板上的各種離子和帶電粒子被解析排放。中試試驗流程如圖1所示。

圖1 反滲透濃水處理系統

表1 反滲透濃水原水水質

2 試驗結果及分析

2.1 出水電導率與操作時間的關系

電吸附裝置運行周期為420s，其中預處理時間60s，吸附時間210s，排污再生時間為150s；進水流速控制并穩定在26L/min；操作電流設置為36A，出水電導率與工作時間的關系如圖2所示。

圖2 出水電導率與時間變化的關系

由圖2可以看出，在預處理和吸附凈化這兩個階段，出水電導率持續下降，吸附階段電導率由進水的2130μs/cm降至1000μs/cm左右，處理效果顯著；在吸附凈化階段的末段，裝置出水電導率達到并保持在最低值附近。排污再生階段電導率提升迅速，說明電極得到有效再生。

2.2 操作電流對電導率去除率的影響（以Ca2+濃度變化為例）

在預處理時間60S，吸附時間210S，排污再生時間為150S，得水率50%，進水流速控制并穩定在26L/min的前提下，改變操作電流（32A、33A、34A、35A、36A、37A、38A）以考察操作電流對運行效果的影響。設置任一固定操作電流后，保持電吸附裝置在此電流下連續運行若干個周期，期間不改變其它操作條件。熱網補給水反滲透濃水經電吸附中試裝置處理后的出水電導率變化、Ca2+濃度變化分別如圖3、圖4所示。

由圖3可知，熱網補給水反滲透濃水經電吸附中試裝置處理后的出水電導率隨著操作電流的增加而逐漸減少，電導率去除率逐漸增大。操作電流由32A增加至36A時，出水電導率降低速度明顯優于操作電流36～38A階段，說明當操作電流達到一定值后，繼續增大操作電流的數值，電導率仍然在下降，但是除鹽效果增幅并不明顯，沒有經濟價值；所以工程設備實際運行時需要優化操作電流。

圖3 操作電流對處理效果的影響

2.3 進水流速對電導率去除率的影響

改變進水流速（20L/min、22L/min、24L/min、26L/min、28L/min、30L/min），通過試驗考察流速對出水水質的影響。操作電流控制并穩定在36A，其它條件不變，試驗結果如圖4所示。

圖4 進水流速對出水水質的影響

通過圖4可以看出，熱網補給水反滲透濃水經電吸附中試裝置處理后的出水電導率隨著進水流速的增加而逐漸增大，電導率去除率逐漸減小。在不考慮極板吸附飽和的情況下，電吸附裝置對于離子的去除率與進水流速呈反比關系。分析認為，主要是因為進水流速影響水力停留時間所致。所以在工程設備實際運行過程中，需要結合產水量、產水水質的實際需求，優化運行流速，也就是優化單元設備的產水量。

2.4 排污再生時間與出水電導率的關系

實驗過程中保持裝置的預處理時間（60s）和吸附凈化時間（210s）不變，改變再生排污時間（60s、90s、120s、150s、180s），操作電流控制并穩定在36A，，進水流速為26L/min，考察電吸附中試裝置的排污再生時間對出水電導率及其去除率的影響。連續運行若干個周期，在吸附凈化階段的最后60s收集水樣測定出水電導率。試驗結果如圖7、8所示。

圖5 排污再生時間對出水水質的影響

通過圖5可以看出，熱網補給水反滲透濃水經電吸附中試裝置處理后的出水電導率隨著裝置排污再生時間的增加而逐漸減小，電導率去除率逐漸增大。電吸附裝置排污再生時間越長意味著預處理與吸附凈化階段吸附在極板上的帶電粒子被解析得越徹底，因此對下一周期出水電導率的影響就越小。然而排污再生時間越長，電吸附裝置的得水率就越低。因此，在實際工程應用中，為保證電吸附技術處理濃鹽水的經濟性，應在保證濃鹽水除鹽效果的范圍內，合理設置電吸附裝置再生排污時間，力求達到經濟與效果的平衡。本中試實驗為保證處理熱網補給水反滲透濃水的得水率不低于50%，綜合除鹽效果與技術經濟性考慮，特選擇裝置排污再生時間為150s。

3 電吸附裝置操作條件對離子吸附優先級的研究

反滲透濃水的主要成分Ca2+、Mg2+、Na+、Cl-、SO42-，在一定操作條件下達到電導率去除效果，但是不同離子對去除率的貢獻不同。以主要成分構成為研究對象-陽離子，考察操作電流、進水流速對不同價態陽離子去除率的影響。

操作電流對離子吸附優先級的研究

根據前述研究，設置不同的操作電流（32A、33A、34A、35A、36A、37A、38A），其它操作條件保持不變，研究操作電流對Ca2+、Mg2+、Na+去除率的影響。實驗結果如圖6所示。

圖6 操作電流對鈣離子濃度的影響

圖7 操作電流對鎂離子濃度的影響

圖8 操作電流對鈉離子濃度影響

圖9 各操作電流下陽離子去除率對比

通過圖6可以看出，熱網補給水反滲透濃水經電吸附中試裝置處理后，出水中鈣離子濃度隨著操作電流的增加而逐漸減少，鈣離子去除率逐漸增大。即在一定范圍內，操作電流越大熱網補給水反滲透濃水中的鈣離子數量減小得越多，鈣離子去除效果越好。操作電流由32A增加至37A時，鈣離子去除效果明顯，由81mg/L降至61mg/L。當再次增加操作電流的數值至38A時，出水鈣離子濃度不在隨操作電流增加而減小。

通過圖7可以看出，隨著電流的增加，出水中鎂離子濃度隨電流增加而下降，鎂離子去除率上升。即在一定范圍內，操作電流越大熱網補給水反滲透濃水中的鎂離子數量減小得越多，鎂離子去除效果越好。操作電流由32A增加至37A時，鎂離子去除效果明顯，由220mg/L降至185mg/L以下。當再次增加操作電流的數值至38A時，出水鎂離子濃度不在隨操作電流增加而減小。

通過圖8可以看出，鈉離子去除效果一般，特別是當操作電流較低時，鈉離子去除效果較差。出水中鈉離子濃度隨著操作電流的增加而逐漸減少，鈉離子去除率隨操作電流增大而逐漸增大。即在一定范圍內，操作電流越大熱網補給水反滲透濃水中的鈉離子數量減小得越多，鈉離子去除效果越好。當操作電流達到38A時，出水中鈉離子濃度為182mg/L，鈉離子去除率達到37.46%。

圖10 出水鎂離子濃度與操作電流關系

圖11 出水鈉離子濃度與操作電流關系

根據基于離子受力分析建立的吸附模型和基于裝置電阻變化建立的吸附模型分析來看，在不考慮極板吸附飽和及電解的情況下，兩模型中離子去除率與操作電壓（流）均呈正比，因此鈉離子去除率隨著操作電流的增大而增加。“基于離子受力分析建立的吸附模型”認為離子去除率與離子的化合價價態高低同樣呈正比，而鈉離子為一價陽離子，因此鈉離子的去除效果明顯劣于二價陽離子。

通過基于離子受力分析建立的吸附模型和基于裝置電阻變化建立的吸附模型分析來看，在不考慮極板吸附飽和及電解的情況下，兩模型中離子去除率與操作電壓（流）均呈正比，同時“基于離子受力分析建立的吸附模型”認為離子去除率與離子的化合價價態高低同樣呈正比，因此鈣離子（為何只有鈣離子，沒有鎂離子，都是2價陽離子）、鎂離子去除效果較好。

4 進水流速對離子優先吸附的影響

保持其它操作條件不變，操作電流控制并穩定在36A，改變進水流速（20L/min、22L/min、24L/min、26L/min、28L/min、30L/min），研究進水流速對Ca2+、Mg2+、Na+去除率的影響。實驗結果如圖12所示。

圖12 各進水流速下陽離子去除率比較

通過圖12可以看出，首先電吸附中試裝置對熱網補給水反滲透濃水中的鈣離子去除效果明顯。出水中鈣離子濃度隨著進水流速的減小而逐漸減少，鈣離子去除率逐漸增大。即在一定范圍內，進水流速越小熱網補給水反滲透濃水中的鈣離子數量減小得越多，鹽水中鈣離子去除效果越好。進水流速由20L/min增加至30L/min的過程中，鈣離子去除效果明顯降低。

通過基于離子受力分析建立的吸附模型和基于裝置電阻變化建立的吸附模型分析來看，在不考慮極板吸附飽和情況下，兩模型中離子去除率與進水流速均呈反比，流速越大意味著更短的停留時間，同時也可能意味著吸附過程并不完整。同時“基于離子受力分析建立的吸附模型”認為離子去除率與離子的化合價價態高低同樣呈正比，因此鈣離子去除效果較好。通過圖12可以看出，首先電吸附中試裝置對熱網補給水反滲透濃水中的鎂離子去除效果明顯。出水中鎂離子濃度隨著進水流速的減小而逐漸減少，鎂離子去除率逐漸增大。即在一定范圍內，進水流速越小熱網補給水反滲透濃水中的鎂離子數量減小得越多，鹽水中鎂離子去除效果越好。進水流速由20L/min增加至30L/min的過程中，鎂離子去除效果明顯降低。在所選進水流速梯度中，當進水流速為20L/min時，熱網補給水反滲透濃水中的鎂離子由236.19mg/L降低至58.76mg/L，去除效果最佳。

通過基于離子受力分析建立的吸附模型和基于裝置電阻變化建立的吸附模型分析來看，在不考慮極板吸附飽和情況下，兩模型中離子去除率與進水流速均呈反比，流速越大意味著更短的停留時間，同時也可能意味著吸附過程并不完整。同時“基于離子受力分析建立的吸附模型”認為離子去除率與離子的化合價價態高低同樣呈正比，因此鎂離子去除效果較好。

通過圖12可以看出，首先電吸附中試裝置對熱網補給水反滲透濃水中的鈉離子去除效果一般。出水中鈉離子濃度隨著進水流速的減小而逐漸減少，鈉離子去除率逐漸增大。即在一定范圍內，進水流速越小熱網補給水反滲透濃水中的鈉離子數量減小得越多，鹽水中鈉離子去除效果越好。進水流速由20L/min增加至30L/min的過程中，鈉離子去除效果明顯降低。在所選進水流速梯度中，當進水流速為20L/min時，熱網補給水反滲透濃水中的鈉離子由291mg/L降低至145mg/L，去除效果最佳。

通過基于離子受力分析建立的吸附模型和基于裝置電阻變化建立的吸附模型分析來看，在不考慮極板吸附飽和情況下，兩模型中離子去除率與進水流速均呈反比，流速越大意味著更短的停留時間，同時也可能意味著吸附過程并不完整。“基于離子受力分析建立的吸附模型”認為離子去除率與離子的化合價價態高低同樣呈正比，因此較二價陽離子，鈉離子去除效果一般。

5 電吸附裝置離子吸附優先級討論

本節內容仍以電吸附中試裝置處理熱網補給水反滲透濃水實驗項目為支撐，以第三章建立的“基于離子受力分析建立的吸附模型”和“基于裝置電阻變化建立的吸附模型”為理論依據，探究在相同操作條件（操作電流、進水流速）下，熱網補給水反滲透濃水中各主要離子吸附去除的優先順序。由于在該實驗中，熱網補給水反滲透濃水所含陽離子種類較多，因此本節主要探究實驗用水中Ca2+，Mg2+，Na+吸附的優先情況。

在各操作電流（32A、33A、34A、35A、36A、37A、38A）下，熱網補給水反滲透濃水中Ca2+，Mg2+，Na+的去除率如圖6～圖8所示。在各進水流速（20L/min、22L/min、24L/min、26L/min、28L/min、30L/min）下，熱網補給水反滲透濃水中Ca2+，Mg2+，Na+的去除率如圖12所示。通過圖6、圖7、圖8、圖12可以看到，在相同的操作條件下，Ca2+和Mg2+的去除率總是遠遠高于Na+的去除率。在“基于離子受力分析建立的吸附模型”中，離子去除率可由式：計算得到。從離子去除率與各參數間的數學關系可以看出，對一個確定的電吸附中試裝置，其構造參數不會隨著實驗的進行而發生改變，因此式中的有關裝置構造的參數不會發生變化。對于兩個操作參數（操作電壓與流速），當控制中試裝置操作條件不變時，式中的電壓U與流速V亦不會發生改變。因此，決定同電性離子吸附的優先級取決于式中的n，即離子的化合價（離子的帶電量）。在熱網補給水反滲透濃水中，Ca2+和Mg2+的帶電量為2個單位，Na+的帶電量為1個單位。在“基于離子受力分析建立的吸附模型”中，離子所受電場力F可用式：來進行計算。因此，可以認為：在電吸附裝置的兩極板間，Ca2+和Mg2+所受到的吸引力更強，在垂直于極板方向上的加速度更大，與極板距離相同的Ca2+、Mg2+、Na+，Ca2+和Mg2+遷移至極板表面并完成吸附的速度要快于Na+，因此，在電吸附中試裝置中，Ca2+和Mg2+吸附優先級優于Na+。該模型中，高價態離子的吸附優先級高于低價態離子。而電吸附中試裝置在實際工作中，會因電極材料達到吸附飽和而不能繼續吸附其他離子，這時吸附優先級較低的離子可能會因極板上的涂覆材料無法儲存更多的離子而無法被吸附去除。在此中試實驗中，Cl-同樣是一價離子，但因高價態離子與其競爭的份額較小，因此去除效果仍較好。

6 結語

（1）利用電吸附中試裝置對熱網補給水反滲透濃水以連續進水、連續出水的方式進行脫鹽處理，在預處理時間60s，吸附時間210s，排污再生時間為150s，進水流速26L/min，操作電流36A的條件下，連續工作電吸附中試裝置出水電導率穩定；

（2）研究結果表明，出水電導率隨操作電流的增大逐漸減小；在操作電流為38A時電導率由原水的2130μs/cm減小到1037μs/cm，電導去除率達到51.3%；保持操作電流不變，出水電導率隨進水流速的增大逐漸增大，在進水流速為20L/min時，電導率由原水的2130μs/cm減小到1267μs/cm，電導去除率40.5%；

（3）在相同條件下，鈣離子、鎂離子和氯離子去除效果較好，鈉離子去除效果一般，電吸附裝置對同電性離子的吸附時優先吸附價態高的離子；

（4）反滲透濃水采用電吸附技術進行回用，可降低采用二級反滲透處理結垢風險并降低設備投資及運行成本；

（5）電容膜吸附裝置處理主機循環水耗電量在5.0kw·h/t左右，運行成本不高于2.0元/t。