活性炭纖維覆膜電極高電壓電吸附處理含鹽廢水

　　隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源短缺已成為全球面臨的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)〔1〕，因此，如何對(duì)廢水如中水、生化尾水、循環(huán)冷卻水等進(jìn)行除鹽處理實(shí)現(xiàn)回用，受到人們的廣泛關(guān)注。在傳統(tǒng)的廢水除鹽方法中，蒸餾法能耗高〔2〕，離子交換法會(huì)產(chǎn)生二次污染〔3〕，電滲析、反滲透處理技術(shù)則投資大且維護(hù)繁瑣〔4, 5, 6〕，不能滿(mǎn)足廢水回用處理的需求。在新型除鹽技術(shù)中，電吸附除鹽被認(rèn)為是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新技術(shù)〔7〕。電吸附除鹽技術(shù)是在電極表面施加一定的電壓，帶電離子在電場(chǎng)力的作用下，向反向電極移動(dòng)并吸附在電極上，從而達(dá)到除鹽的目的〔8, 9, 10〕。該處理技術(shù)具有設(shè)備投資少、無(wú)二次污染、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)〔11〕。電吸附除鹽技術(shù)由于電極與廢水直接接觸，在電極間存在電流，且受水電解電壓的限制，兩極的電壓通常在1～2 V之間較適宜，較低的電壓會(huì)制約除鹽效率，導(dǎo)致淡水出水率低，能耗高;同時(shí)，電極的使用壽命短，需使用特殊材質(zhì)。

　　本研究針對(duì)電吸附除鹽技術(shù)存在的問(wèn)題，采用涂覆技術(shù)在活性炭纖維電極表面涂覆一層高分子有機(jī)絕緣層，絕緣處理后的電極不直接與含鹽廢水接觸，電極間不存在電流，不僅可降低對(duì)電極材質(zhì)的要求，提高其使用壽命，同時(shí)可克服水電解電壓的限制，使電吸附除鹽在更高的電壓下操作，從而提高除鹽效果，降低能耗。

　　1 實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1 試劑和儀器

　　試劑：氯化鈉，AR，汕頭市西隴化工股份有限公司;活性炭纖維，上海索斐亞環(huán)�？萍加邢薰�司。

　　儀器：FE30型電導(dǎo)率儀，梅特勒-托利多儀器有限公司;BT00-100M恒流泵，保定蘭格恒流泵有限公司;BSA124S電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司;DF1761SL3A直流電源供應(yīng)器，中策電子有限公司;XT5118-OV50電熱鼓風(fēng)干燥箱，杭州雪中炭恒溫科技有限公司;DK-98-11電子萬(wàn)用爐，天津市泰斯特儀器有限公司。

　　1.2 活性炭纖維電極的預(yù)處理和絕緣涂覆

　　將剪成大小適宜方塊的活性炭纖維放入去離子水中煮沸2 h，取出，放入烘箱中于120 ℃下干燥24 h，以去除其水溶性物質(zhì)和揮發(fā)性物質(zhì)。

　　將2片烘干的活性炭纖維塊電極放入涂覆槽中，加入自制的高分子聚合物有機(jī)溶劑，將2片電極在60 V電壓下涂覆45 s，取出，放入馬弗爐內(nèi)升溫至150 ℃，并保持30 min，自然冷卻。

　　1.3 實(shí)驗(yàn)方法

　　將有效面積為3.0 cm×7.2 cm的電極放入自制的除鹽裝置中，2片電極間距為11 mm，涂覆有機(jī)膜的活性炭纖維電極接正極，預(yù)處理后的活性炭纖維電極接負(fù)極。配制的氯化鈉模擬廢水通過(guò)恒流泵流入除鹽裝置，關(guān)閉恒流泵，調(diào)節(jié)電壓，處理一定時(shí)間后出水。

　　圖 1為25 ℃下NaCl溶液電導(dǎo)率隨溶液濃度的變化趨勢(shì)。

圖 1 25 ℃下NaCl溶液電導(dǎo)率隨溶液濃度的變化趨勢(shì)  

　　由圖 1可知，NaCl溶液電導(dǎo)率與溶液中離子的濃度呈較好的線性關(guān)系，即溶液電導(dǎo)率的變化可間接反映溶液中NaCl濃度的變化。因此，可通過(guò)溶液電導(dǎo)率的變化來(lái)評(píng)價(jià)除鹽的效果。由圖 1擬合得出25 ℃下溶液電導(dǎo)率與溶液濃度的關(guān)系式：

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 外加電壓對(duì)除鹽效果的影響

　　外加電場(chǎng)的大小是決定電吸附除鹽效果的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)雙電層理論，在不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的情況下，雙電層具有電容的特性，對(duì)其進(jìn)行充放電，水中的粒子將會(huì)富集在電極-溶液界面〔12〕。在傳統(tǒng)的電容吸附除鹽中，電壓并不是越高越好，過(guò)高的電壓會(huì)導(dǎo)致水解的發(fā)生。理想情況下，水的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為1.229 V，有文獻(xiàn)報(bào)道〔13〕，當(dāng)電壓超過(guò)1.6 V時(shí)，溶液就會(huì)發(fā)生水解現(xiàn)象，這嚴(yán)重制約了電除鹽效率和應(yīng)用。本研究通過(guò)對(duì)電極表面的改性，實(shí)現(xiàn)了在更高電極電壓下進(jìn)行電吸附除鹽，有利于除鹽效率的提高。

　　實(shí)驗(yàn)配制300 mg/L的NaCl溶液，在25 ℃下分別施加不同的外加電壓30 min，考察外加電壓對(duì)除鹽效果的影響，結(jié)果如圖 2所示。

 圖 2 外加電壓對(duì)除鹽效果的影響

　　由圖 2可知，隨著外加電壓的增大，電導(dǎo)率呈現(xiàn)先下降后緩慢上升的變化趨勢(shì)。當(dāng)電壓從10 V提高到17.5 V時(shí)，電導(dǎo)率快速下降;當(dāng)電壓從17.5 V提高到22.5 V時(shí)，電導(dǎo)率變化不大，在電壓為22.5 V時(shí)，電導(dǎo)率去除率最大，為83.5%，此時(shí)吸附除鹽量為0.273 mg/cm2;當(dāng)電壓從22.5 V增加到30 V時(shí)，電導(dǎo)率略有上升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電壓為10～ 17.5 V的范圍內(nèi)，電壓的作用明顯，提高電壓加快了溶液中離子向電極表面的遷移和富集，使得溶液主體中的離子濃度迅速下降，溶液電導(dǎo)率下降明顯;在電壓為17.5～22.5 V的范圍內(nèi)，電極表面離子吸附基本達(dá)到飽和，吸附和脫附過(guò)程處于動(dòng)態(tài)平衡，因此電導(dǎo)率變化不明顯;繼續(xù)提高電壓，溶液中出現(xiàn)少許微小氣泡，說(shuō)明此時(shí)溶液出現(xiàn)了一定程度的電解，導(dǎo)致溶液電導(dǎo)率略有上升�？梢�(jiàn)，在不發(fā)生水解和吸附未達(dá)飽和的前提下，提高電壓有助于大幅提高溶液中NaCl的去除效率，因此確定最佳的電壓為20 V。

　　2.2 吸附時(shí)間對(duì)除鹽效果的影響

　　在電容吸附除鹽中，吸附時(shí)間的長(zhǎng)短不僅會(huì)影響除鹽能耗，也會(huì)影響電極壽命。配制300 mg/L的NaCl溶液，在溫度為25 ℃，外加電壓為20 V的條件下，考察了吸附時(shí)間對(duì)除鹽效果的影響，結(jié)果如圖 3所示。

 圖 3 吸附時(shí)間對(duì)除鹽效果的影響

　　由圖 3可知，在吸附時(shí)間為0～10 min時(shí)，隨著吸附時(shí)間的增加，電導(dǎo)率略有下降，表明在此時(shí)間段，電極表面吸附的離子較少，溶液主體中離子濃度下降較小;在吸附時(shí)間為10～25 min時(shí)，隨著吸附時(shí)間的增加，電導(dǎo)率急劇下降，說(shuō)明溶液中有大量離子被吸附到電極的表面，使得溶液主體中離子濃度出現(xiàn)了明顯的下降;在吸附時(shí)間為25～45 min時(shí)，隨著吸附時(shí)間的增加，溶液電導(dǎo)率變化不大，表明此時(shí)電極吸附已達(dá)到平衡;繼續(xù)延長(zhǎng)吸附時(shí)間，電導(dǎo)率卻緩慢上升，說(shuō)明吸附時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電極表面吸附的離子可能有少量脫附，重新返回到溶液主體中，從而使溶液主體的電導(dǎo)率緩慢上升。確定25～40 min為最佳吸附時(shí)間段。

　　2.3 進(jìn)水NaCl濃度對(duì)除鹽效果的影響

　　在電吸附過(guò)程中，施加電壓產(chǎn)生的電荷分布在電極表面，在正負(fù)電極間產(chǎn)生電場(chǎng)，在電場(chǎng)力的作用下，溶液中的離子向相反電荷電極的表面遷移，電場(chǎng)力越強(qiáng)，離子遷移得越快，電極表面電荷密度越大，電極表面富集的相反電荷的離子越多;當(dāng)富集的離子電荷數(shù)與電極表面分布的相反電荷數(shù)接近時(shí)，電極吸附趨近飽和，此時(shí)電極吸附處于動(dòng)態(tài)平衡，因此在相同的吸附時(shí)間下，電極吸附的離子電荷數(shù)與溶液中離子濃度有關(guān)。在溫度為25 ℃，外加電壓為10、15、20 V，吸附時(shí)間為40 min的條件下，考察了進(jìn)水NaCl濃度對(duì)除鹽效果的影響，結(jié)果如圖 4所示。

 圖 4 進(jìn)水NaCl濃度對(duì)除鹽效果的影響

　　由圖 4可以看出，當(dāng)進(jìn)水NaCl濃度較低時(shí)，不同電壓下的溶液電導(dǎo)率相差不大且很小，電導(dǎo)率去除率均較高，其中對(duì)100 mg/L到300 mg/L的NaCl溶液，當(dāng)電壓為15 V和20 V時(shí)，溶液電導(dǎo)率去除率相差不大，均可達(dá)80%以上，最高可達(dá)91%;而當(dāng)電壓為10 V時(shí)，電導(dǎo)率去除率明顯偏低。表明在低NaCl濃度下，隨著電壓的增加，溶液主體中的離子向電極表面的遷移增多，但當(dāng)電極施加電壓達(dá)到一定程度后，溶液電導(dǎo)率已很小，即溶液主體離子濃度很小，此時(shí)溶液主體中絕大部分離子已遷移到電極的表面，再增加電壓，由于溶液主體中離子遷移數(shù)較少，因而溶液電導(dǎo)率和電導(dǎo)率去除率變化不明顯。隨著進(jìn)水NaCl濃度的增加，不同外加電壓下溶液的電導(dǎo)率明顯增加，電導(dǎo)率去除率快速下降;但在高電壓下，溶液電導(dǎo)率升高相對(duì)緩慢，且電導(dǎo)率去除率相對(duì)較高，在進(jìn)水NaCl質(zhì)量濃度為1 000 mg/L時(shí)，電導(dǎo)率去除率仍接近50%。

　　溶液離子濃度的增加雖然使得溶液電導(dǎo)率去除率顯著降低，但電極單位面積對(duì)離子的絕對(duì)吸附量卻明顯增加，如圖 5所示。

 圖 5 不同電壓下電極單位面積除鹽量與溶液濃度的關(guān)系

　　圖 5表明，電壓越高，電極單位面積吸附離子的絕對(duì)量越大，表明高電壓有助于提高電極吸附絕對(duì)量，更適用于高濃度含鹽廢水的處理。

　　2.4 吸附等溫線擬合

　　為探究溶液中離子在電極表面的吸附行為，采用Langmuir和Freundlich吸附等溫線模型，對(duì)在不同電壓下對(duì)不同濃度的NaCl溶液處理40 min后所得的吸附量曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果如表 1所示。

　　由表 1可知，當(dāng)電壓為10 V時(shí)，Langmuir模型的擬合效果較好，溶液中離子在電極上傾向于單分子層吸附;當(dāng)電壓為20 V時(shí)，F(xiàn)reundlich模型的擬合效果更好，溶液中離子在電極上呈現(xiàn)出多層吸附的趨勢(shì)，說(shuō)明電壓越高，離子越能在電極表面呈現(xiàn)多層吸附，而吸附層數(shù)越多，吸附量越大，除鹽效果越好。擬合結(jié)果表明，在高電壓除鹽中，多層吸附的Freundlich模型更加適用;隨著電壓的增大，電極吸附容量增加的速度加快，吸附容量也隨之增大�？傊�，提高電壓有利于溶液中鹽的去除。具體參見(jiàn)http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1)采用有機(jī)膜涂覆的活性炭纖維作電極，可明顯提高電吸附的操作電壓，在電壓提高到30 V時(shí)，仍具有較好的除鹽效果。在不發(fā)生水解情況下，最佳電壓為20 V。

　　(2)當(dāng)進(jìn)水NaCl質(zhì)量濃度為300 mg/L，外加電壓為20 V時(shí)，25～40 min為最佳吸附時(shí)間段。

　　(3)對(duì)于低濃度NaCl溶液(<300 mg/L)，當(dāng)外加電壓為15、20 V時(shí)，溶液電導(dǎo)率去除率可達(dá)80%以上，最大可達(dá)91%。隨著溶液濃度的增加，電導(dǎo)率去除率下降明顯，但電極的絕對(duì)吸附量卻顯著增大。

　　(4)在低電壓 (<10 V) 時(shí)，吸附更傾向于單分子層吸附;高電壓時(shí)，吸附更加符合多分子層吸附;并且隨著電壓的增大，電極吸附容量增加的速度和吸附容量增大。