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(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210009）

目前，我國含鹽廢水產(chǎn)生量逐年增加，來源也更為廣泛，涉及印染、農(nóng)藥、化工生產(chǎn)、石油和天然氣開采、食品加工等行業(yè)［1］。這些含鹽廢水中常含有大量有機(jī)物，如直接采用生物法進(jìn)行處理，鹽類物質(zhì)會(huì)進(jìn)入生化過程，對微生物產(chǎn)生抑制作用，影響生化處理效果，導(dǎo)致出水難以達(dá)標(biāo)排放。目前，工業(yè)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(jìn)行預(yù)處理，處理后的廢水能夠進(jìn)行后續(xù)常規(guī)生化處理。但加水稀釋造成了凈水資源的浪費(fèi)，蒸發(fā)除鹽過程中會(huì)產(chǎn)生大量危險(xiǎn)廢物，電吸附裝置復(fù)雜且運(yùn)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(jīng)濟(jì)高效的除鹽方法成為研究的熱點(diǎn)。

近年來，一種新興的除鹽技術(shù)——電容吸附除鹽法得到很大發(fā)展。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)水率高、能耗低［3］；除鹽性能良好；生產(chǎn)過程綠色無污染，對進(jìn)水水質(zhì)要求不高，再生時(shí)不消耗藥品；電極間距寬，不易堵塞［4］。該技術(shù)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(huì)產(chǎn)生電流，發(fā)生電解反應(yīng)而增加能耗，而且還會(huì)對電極造成損耗。

本工作針對電容吸附法的缺點(diǎn)，采用絕緣電極代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(yùn)行。

1 實(shí)驗(yàn)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(yīng)器：上海宇醇電子科技有限公司；DDS-11C型電導(dǎo)率儀：上海三信儀表廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

在電化學(xué)體系中，在電極與溶液的交界處由于固液兩相的化學(xué)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(shí)，在不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的情況下，水中離子將會(huì)富集在電極-溶液界面［5-6］，即充電過程。當(dāng)模擬廢水進(jìn)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(dòng)，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(dāng)電極-溶液界面達(dá)到飽和或者去除電壓時(shí)，被雙電層所吸附的離子會(huì)釋放到溶液中產(chǎn)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(shí)現(xiàn)了除鹽及凈化。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。電極材料為石墨或不銹鋼，表面采用有機(jī)高分子薄膜包裹進(jìn)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(dòng)產(chǎn)生的影響，保證更穩(wěn)定的除鹽效果。配置不同濃度的模擬廢水，由蠕動(dòng)泵送入反應(yīng)器內(nèi)，電極接入外加直流穩(wěn)壓電源，進(jìn)行吸附脫鹽反應(yīng)。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(shí)驗(yàn)裝置

1.4 分析方法

采用電導(dǎo)率儀測定模擬廢水電導(dǎo)率，按照式（1）計(jì)算模擬廢水中的NaCl質(zhì)量濃度。

式中：к為電導(dǎo)率，S/m；ρ為NaCl質(zhì)量濃度，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 外加電壓對出水電導(dǎo)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(qiáng)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(bào)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(jié)果表明，當(dāng)外加電壓超過1.6 V時(shí)水中就會(huì)出現(xiàn)小氣泡，即發(fā)生了水的電解。水解過程會(huì)改變?nèi)芤簆H，對電極造成損害。

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

圖2 外加電壓對出水電導(dǎo)率的影響

由圖2可見，反應(yīng)時(shí)間越長，出水電導(dǎo)率越低；當(dāng)外加電壓為60 V時(shí)，處理150 min后出水電導(dǎo)率為82.7 μS/cm，出水NaCl質(zhì)量濃度約為40 mg/L，去除率達(dá)90.0%以上；在相同反應(yīng)時(shí)間條件下，外加電壓越大，出水電導(dǎo)率越低。因此，可通過增大電壓來提高脫鹽效果。當(dāng)外加電壓提高至60 V時(shí)，仍沒有水的電解現(xiàn)象產(chǎn)生，電極未發(fā)生腐蝕。

2.2 廢水流速對出水電導(dǎo)率的影響

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

圖3 廢水流速對出水電導(dǎo)率的影響

2.3 反應(yīng)溫度對出水電導(dǎo)率的影響

在NaCl質(zhì)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(yīng)溫度對出水電導(dǎo)率的影響見圖4。由圖4可見，不同反應(yīng)溫度下的出水電導(dǎo)率相差不大，說明溫度對脫鹽效果的影響不大。因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí)，離子更加活躍，有利于離子向電極擴(kuò)散，但同時(shí)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(dǎo)致溫度對出水電導(dǎo)率的影響不明顯。

圖4 反應(yīng)溫度對出水電導(dǎo)率的影響

2.4 NaCl質(zhì)量濃度對出水電導(dǎo)率的影響

在外加電壓為60 V、反應(yīng)溫度為25 ℃、廢水流速為36 m/s的條件下，NaCl質(zhì)量濃度對出水電導(dǎo)率的影響見圖5。由圖5可見：在相同反應(yīng)時(shí)間條件下，進(jìn)水NaCl質(zhì)量濃度越低，出水電導(dǎo)率越低，即出水NaCl質(zhì)量濃度越低；隨反應(yīng)時(shí)間的延長，出水電導(dǎo)率先降低后升高，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí)電導(dǎo)率最低。

圖5 NaCl質(zhì)量濃度對出水電導(dǎo)率的影響

廢水經(jīng)多級(jí)電容吸附除鹽法處理后會(huì)達(dá)到更好的除鹽效果。在NaCl質(zhì)量濃度為80 mg/L、外加電壓為60 V、反應(yīng)溫度為25 ℃、廢水流速為36 m/s的條件下，一級(jí)處理和二級(jí)處理的除鹽效果比較見圖6。由圖6可見：二級(jí)處理的除鹽效果明顯優(yōu)于一級(jí)處理；相同反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，二級(jí)處理后的出水電導(dǎo)率更低；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí)，一級(jí)處理和二級(jí)處理的出水電導(dǎo)率分別為82.4 μS/cm和33.8 μS/cm。一級(jí)處理和二級(jí)處理的出水NaCl質(zhì)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(shí)可采用多級(jí)裝置連續(xù)運(yùn)行。

圖6 一級(jí)處理和二級(jí)處理的除鹽效果比較

3 結(jié)論

a）通過對電極進(jìn)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(shí)，NaCl去除率可達(dá)90.0%以上。

b）增大廢水流速對吸附效果不利，反應(yīng)溫度對處理效果影響不大。

c）采用多級(jí)電容吸附除鹽法處理廢水會(huì)達(dá)到更好的除鹽效果。在NaCl質(zhì)量濃度為80 mg/L、外加電壓為60 V、反應(yīng)溫度為25 ℃、廢水流速為36 m/s、反應(yīng)時(shí)間為30 min的條件下，經(jīng)一級(jí)處理和二級(jí)處理后出水的NaCl質(zhì)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%。

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