電吸附技術(shù)去除再生水中氯離子的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

劉燕峰

【摘 要】本文通過實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)吸附研究了電吸附技術(shù)對氯離子的去除效率，以及影響去除率的各種因素，結(jié)合進(jìn)水水質(zhì)和處理要求，確定了在電壓5V，極板間距1.0cm，吸附時(shí)間為15min為最佳的吸附工況；考察流量對氯離子去除率的影響；最后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到工程研究中，提出解決氯離子濃度高的方法。電吸附技術(shù)應(yīng)用于污水回用工程體現(xiàn)出較好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益，有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】電吸附；氯離子；去除率

1.實(shí)驗(yàn)概況

本實(shí)驗(yàn)研究的是電吸附技術(shù)去除水中氯離子的可行性，實(shí)驗(yàn)用水主要采用河北省某處理廠再生回用生物處理后的出水，其主要水質(zhì)指標(biāo)如下：

2.靜態(tài)實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)驗(yàn)分析

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

首先進(jìn)行靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2-1所示。反應(yīng)容器為1000ml的燒杯，正負(fù)電極分別由兩塊石墨電極（100mm*50mm*5mm）組成，正負(fù)極上所施加電壓通過一直流電源來控制。吸附在恒溫磁力攪拌下進(jìn)行，并維持反應(yīng)溫度為（20土0.5）℃。

2.2實(shí)驗(yàn)流程

將含氯廢水放在電吸附實(shí)驗(yàn)裝置里，將電極置于反應(yīng)器中，開啟電源，使用攪拌器勻速緩慢攪拌含氯廢水，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程是在恒溫下進(jìn)行，電場作用下，水中帶正電荷的離子會(huì)向陰極遷移，被電極吸附，水中帶負(fù)電荷的離子會(huì)向陽極遷移，被該電極吸附，都儲存于電極表面形成的雙電層中；隨著離子的富集，水中的氯離子濃度會(huì)逐漸降低。

實(shí)驗(yàn)每隔5min取水樣測氯離子的濃度。隨著時(shí)間的延長，反復(fù)測定氯離子濃度，直到濃度不變化，吸附達(dá)到飽和狀態(tài)。關(guān)掉電源進(jìn)行脫附。實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是在平行實(shí)驗(yàn)下得到。

2.3 時(shí)間對吸附與脫附效果的影響

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將濃度為412mg/l的原水注入電吸附反應(yīng)器，然后開啟電源，不斷改變吸附時(shí)間，按圖 2-1重復(fù)進(jìn)行吸附，觀察出水氯離子濃度變化，結(jié)果可以看出，出水氯離子濃度在吸附過程隨時(shí)間的變化規(guī)律。當(dāng)接通電源，電極兩端加上電壓后，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，溶液中氯離子濃度逐漸降低，出水濃度開始下降，15min 后濃度降到205mg/l，趨于平緩，且與20min時(shí)剩余氯離子濃度相差不大，而15min時(shí)氯離子濃度與25min時(shí)的基本相同，這說明當(dāng)吸附時(shí)間為15min時(shí)，吸附基本已達(dá)到飽和，即便再延長處理時(shí)間，溶液中的剩余氯離子濃度基本不發(fā)生變化，故將吸附時(shí)間定為15min。證明了電吸附法去除水中氯離子的可行性。

隨著運(yùn)行時(shí)間延長，實(shí)驗(yàn)中將吸附30min時(shí)作為脫附的起點(diǎn)，此時(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)入脫附階段，關(guān)閉電源，將正負(fù)極短接，仍然選擇每隔5min取水樣測定氯離子的濃度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可知，氯離子濃度開始上升，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行60min后，氯離子濃度在上升到高峰值410mg/l，此時(shí)氯離子濃度基本與原水中氯離子濃度一樣，脫附結(jié)束。

2.4電壓對吸附效果的影響

在吸附時(shí)間為15min，進(jìn)水氯離子濃度為412mg/l，改變加在工作電極上的電壓，分別為1V、3V、5V、7V、10V，按圖 2-1重復(fù)進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，測定濃度。當(dāng)初始濃度為412mg/l、極板間距1.5cm時(shí)，調(diào)節(jié)電壓為1V、3V、5V、7V和10V時(shí)，分別進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。得出水氯離子濃度逐漸降低。隨著電壓的增加則去除效率增高，因?yàn)殡S著電壓的增大，電極表面剩余電荷密度增大，電荷與離子之間靜電引力增強(qiáng)，導(dǎo)致離子在雙電層處發(fā)生富集效果越明顯，溶液中離子濃度降低越大。雖然電壓越大，去除率越好，但是應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)方面的問題，另外，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看到，當(dāng)電壓過高（>7V）時(shí)可以觀察到石墨板壁有小氣泡產(chǎn)生，這表明水的電解反應(yīng)，同時(shí)伴隨著電壓的升高，電極出現(xiàn)溶解現(xiàn)象。所以本實(shí)驗(yàn)將工作電壓控制在7V以下。

2.5 極板間距對吸附效果的影響

在工作電壓為5V，吸附時(shí)間為15min，進(jìn)水氯離子濃度為412mg/l，改變工作電極極板間距，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。間距為0.5cm、1.0cm、1.5cm、2cm、2.5cm時(shí)按圖2-1重復(fù)進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，測定出水氯離子濃度。結(jié)果表明電極間距越小，氯離子去除率越高，最高去除效率是為51.21%。這是因?yàn)殡S著電極間距越小，在相同的電壓下產(chǎn)生的雙電層就比較厚，吸附容量因而得到提高，電極間距越小，電極間氯離子擴(kuò)散距離縮短，且湍流度增大，氯離子到達(dá)雙電層并被其吸附的時(shí)間就越短。

2.6進(jìn)水濃度對吸附效果的影響

根據(jù)水廠長期監(jiān)測的水質(zhì)指標(biāo)中，有時(shí)氯離子濃度高達(dá)677 mg/l，本實(shí)驗(yàn)采用分析純氯化鈉固體和蒸餾水按一定比例配制而成接近原水濃度的溶液作為模擬水樣?？疾觳煌M(jìn)水氯離子濃度對吸附效果的影響，分別是350mg/l、400mg/l、450mg/l、500mg/l、600mg/l、650mg/l、700mg/l針對這七種濃度的溶液分別按圖 2-1重復(fù)進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，測定濃度，得出氯離子濃度變化的規(guī)律。

結(jié)果表明進(jìn)水氯離子濃度越低，出水水質(zhì)越好。350mg/l進(jìn)水濃度時(shí)，處理率可達(dá)到54.1%，隨著濃度的升高，處理率逐漸下降。針對進(jìn)水氯離子濃度較大的情況，要提高處理率，達(dá)到要求就需要在實(shí)驗(yàn)中增加電極的對數(shù)，本實(shí)驗(yàn)在圖2-1的實(shí)驗(yàn)裝置中，又增加了一對同樣的電極，通過測定氯離子的濃度，效果有所改觀。在實(shí)際工程應(yīng)用中如果為了提高出水水質(zhì)，需要采用電吸附模塊串聯(lián)來提高處理效率，保證出水水質(zhì)。

將配置的模擬水樣和實(shí)際水樣在同樣的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將得到結(jié)果進(jìn)行比較，如圖2-2所示，從圖中可以看出條件相同時(shí)，模擬水樣的除去率要高于實(shí)際水樣。本課題沒有對其他離子的去除率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。因?yàn)殡娢轿诫x子數(shù)量的多少取決于兩個(gè)因素：一是離子的電荷，一般情況下離子所帶電荷越多則離子向電極內(nèi)部的遷移力越大，則吸附的離子越多；二是離子的體積大小，離子體積越大，則進(jìn)入電極孔道難度就越大，同時(shí)在電極孔道內(nèi)時(shí)，相同的雙電層表面積上，由于離子體積越大則能夠容納的離子數(shù)量越少。研究表明，陽離子去除率的順序：Mg2+>Ca2+>Na+，是由于離子電荷造成的，且Mg2+體積小于 >Ca2+，同時(shí)在水溶液中Na+含量較高也是一個(gè)重要的原因，另外在水溶液中堿金屬類的離子會(huì)形成溶劑化殼，使得水合Na+的半徑較大，不易吸附。陰離子去除率的順序：CI->SO2-4>HCO-3>NO-3，由于SO2-4，HCO-3，NO-3離子體積較大，進(jìn)入電極內(nèi)部難度大，同時(shí)，在相同的雙電層表面積上，容納的離子數(shù)量相應(yīng)的較小。

2.7結(jié)論

（1）時(shí)間是影響吸附和脫附的主要因素，當(dāng)吸附時(shí)間為15min時(shí)，吸附基本已達(dá)到平衡，即便再延長處理時(shí)間，溶液中的剩余氯離子濃度基本不發(fā)生變化。

（2）給極板施加不同的電壓對電吸附的處理效果影響很大。電吸附量與電壓存在一定的關(guān)系，電壓越大，水中氯離子的吸附率越大，水處理效果越好。

（3）極板間距也是影響電吸附的主要因素之一。電極間距越小，處理效果越好。

（4）進(jìn)水氯離子濃度越小，單位體積中的氯離子越少，出水效果越好。