活性炭纖維電極電吸附除鹽的試驗(yàn)研究

馬愛(ài)鵬李福勤王翠

（1.河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.邯鄲市建筑設(shè)計(jì)研究院，河北 邯鄲 056004）

目前國(guó)內(nèi)外工業(yè)應(yīng)用的除鹽方法主要有膜分離法（電滲析和反滲透）、離子交換和蒸餾法等，每種方法都有一定的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，因此，新的除鹽方法在不斷的開(kāi)發(fā)中。電吸附就是一種新型的除鹽技術(shù)，其工作原理是在外加電場(chǎng)作用下，溶液和電極的交界面上形成一雙電層，通過(guò)靜電力作用將溶液中的離子儲(chǔ)存在雙電層中，而電場(chǎng)一旦撤銷，被吸附的離子又會(huì)返回到溶液中，使電極得到再生[1-3]。電吸附除鹽與現(xiàn)行的除鹽法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：與電滲析和反滲透相比，電吸附不需要膜，更容易操作[4]；與離子交換相比，電極不需要酸、堿再生，所以減少了二次污染[5]；與蒸餾相比，電吸附所需要的能耗更低[6]。所以電吸附技術(shù)被廣泛關(guān)注，并開(kāi)展了諸多領(lǐng)域的應(yīng)用研究[7-9]。

1 材料及方法

1.1 活性炭纖維電極的制備

采用遼寧森鑫活性炭纖維廠生產(chǎn)活性炭纖維，厚度1mm，首先將活性炭纖維剪成31cm*12cm大小，放入純水中煮沸2小時(shí)，以去除其水溶性和揮發(fā)性物質(zhì)，然后在純水中浸泡24小時(shí)，擠干水，在烘箱中120℃烘24小時(shí)以除表面雜質(zhì)，即得活性炭纖維電極。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及分析方法

取兩塊活性炭纖維電極，中間由塑料網(wǎng)格隔開(kāi)后一同置入用硅膠板做成的密封圈內(nèi)，電極兩頭用導(dǎo)線與直流穩(wěn)壓電源連接，電極外側(cè)加設(shè)如同電滲析的塑料電極極框，在極框兩端開(kāi)設(shè)進(jìn)出水孔，再由兩塊不銹鋼板壓緊，由此組成電吸附裝置(如圖1所示)。

圖1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)用水為邯鄲自來(lái)水（電導(dǎo)率680-730μS/cm），試驗(yàn)中采用DDS-11電導(dǎo)率儀測(cè)定產(chǎn)水電導(dǎo)率，電壓和電流分別在儀表上直接讀取。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 電壓對(duì)電吸附除鹽效果的影響。電極間距1mm，流速為0.56m/min，改變電壓，測(cè)定不同電壓對(duì)電吸附除鹽效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2中可知，隨著電壓的升高，電極對(duì)水中離子的吸附速率呈上升趨勢(shì)，在試壓范圍內(nèi)，電壓6V時(shí)出水電導(dǎo)率最低，但是電壓過(guò)高時(shí)，水解離加劇，產(chǎn)生氧氣和氫氣，使電流效率下降，綜合考慮，電壓在2V時(shí)為最佳。

圖2 不同電壓下出水電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化

2.2 電極間距對(duì)電吸附除鹽的影響。采用電壓為2V，流速為0.56m/min，改變電極間距，測(cè)定不同電極間距對(duì)電吸附除鹽效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，當(dāng)電極間距為1mm時(shí)出水電導(dǎo)率最低降至465μS/cm，而間距為3mm和4mm時(shí)出水電導(dǎo)率下降緩慢，這表明電極間距越小，離子遷移到雙電層的距離縮短，吸附速率加快，但過(guò)短的電極間距不利于水的流動(dòng)，還可能導(dǎo)致電極短路，增加能耗，因此1mm為最佳。

圖3 不同間距下出水電導(dǎo)率的變化曲線

2.3 流速對(duì)電吸附除鹽的影響。采用電壓為2V，電極間距1mm，改變運(yùn)行流速，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，流速越小，出水電導(dǎo)率越低，這是因?yàn)樗νＡ魰r(shí)間長(zhǎng)，可保證足夠的時(shí)間使得離子向雙電層遷移而不被水流帶走，而流速過(guò)快，大量離子來(lái)不及被吸附就被水流帶走，電吸附脫鹽效果差。雖然流速為0.35m/min可達(dá)到較高脫鹽效率，但是流速小時(shí)，電極間水力擾動(dòng)小，傳質(zhì)速度慢，吸附速率減慢，同時(shí)處理量也小，不經(jīng)濟(jì)。綜合考慮，流速為0.56m/min較佳。

圖4 不同流速下平均出水電導(dǎo)率的變化曲線

2.4 流程長(zhǎng)度對(duì)電吸附除鹽的影響。不同流程長(zhǎng)度對(duì)電吸附除鹽的影響，可以轉(zhuǎn)化為循環(huán)次數(shù)對(duì)電吸附除鹽的影響，即每循環(huán)一次，流程增加30cm，采用的實(shí)驗(yàn)條件為：電壓為2V，間距1mm，流速為0.56m/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。圖5中，隨著流程長(zhǎng)度的增加，出水電導(dǎo)率降低，脫鹽效果越好，流程長(zhǎng)度為210cm時(shí)，脫鹽效率接近80%，流程長(zhǎng)度為330cm時(shí)，脫鹽率達(dá)到90%，此后繼續(xù)增加流程長(zhǎng)度，除鹽率增加緩慢，說(shuō)明流程長(zhǎng)度在210-330cm較為合理。

圖5 不同流程長(zhǎng)度下的除鹽率

結(jié)論。（1）自制活性炭纖維電極電吸附除鹽，最佳電壓為2V。（2）電極間距越小，離子遷移到雙電層的距離短，電吸附效果好，考慮水流阻力，1mm的間距較合適。（3）流速越小，水力停留時(shí)間越長(zhǎng)，可以保證離子向雙電層遷移而不被水流帶走，脫鹽效果好，考慮經(jīng)濟(jì)性，流速為0.56m/min最佳。（4）流程越長(zhǎng)，出水電導(dǎo)率越低，當(dāng)流程長(zhǎng)度330cm時(shí)除鹽率達(dá)到90%以上，顯示了廣闊的應(yīng)用前景。

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