電吸附技術(shù)用于燃煤電廠微污染水除鹽實驗研究

柴晉

(國家能源集團(tuán)新能源技術(shù)研究院,北京 102209)

《水污染防治行動計劃》的發(fā)布對各類水體污染的治理提出了嚴(yán)格的要求,多項標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步趨嚴(yán),一些重點區(qū)域禁止污水排放[1]。國家“十三五”規(guī)劃進(jìn)一步嚴(yán)控水資源使用,要求工業(yè)生產(chǎn)盡可能回收和循環(huán)使用生產(chǎn)過程產(chǎn)生的廢水。2022年6月,生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《火電建設(shè)項目環(huán)境影響評價文件審批原則(征求意見稿)》[2],明確廢污水分類收集和處理方案,按照“一水多用”的原則強化水資源的梯級、循環(huán)使用要求,提高水重復(fù)利用率,鼓勵廢污水循環(huán)使用不外排。

燃煤電廠的微污染水主要由循環(huán)冷卻排污水、鍋爐清洗水、機組冷卻水等組成,而燃煤電廠系統(tǒng)的補充水量占總用水量的50%以上,該系統(tǒng)的排污水量大,含鹽量高,具有較高硬度和堿度,但同時回用標(biāo)準(zhǔn)要求不高[3]。因此,提高微污染水的濃縮倍率,提高微污染水的回用率是燃煤電廠微污染水節(jié)能減排的核心問題。

常用于電廠微污染水的脫鹽技術(shù)主要包括蒸餾、離子交換、電滲析、反滲透等除鹽技術(shù)[4-8]。電吸附除鹽技術(shù)屬于電化學(xué)除鹽技術(shù)的一種,與上述其他脫鹽方法相比,該技術(shù)制水成本低廉,電極成本低、能耗低、無需藥劑添加。同時,電吸附技術(shù)目前還存在電極吸附容量低、電極材料價格貴、重復(fù)利用率低等問題[8-9]。因此,合成篩選出適用于不同水質(zhì)條件的電極吸附材料,優(yōu)化運行參數(shù),提高電極材料性能,是電吸附除鹽技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。張繼衛(wèi)等[10]采用活性炭纖維為電極材料來制備活性炭纖維電極對含鹽溶液進(jìn)行除鹽研究并獲取最佳實驗工況,去除效率為61.54%;Zhu等[11]制備了氧化石墨烯電極,吸附容量達(dá)14.4 mg/g;Kumar等[12]將炭氣凝膠材料用于電吸附實驗,吸附容量最高為10.54 mg/g。

以活性炭作為電極材料,對電吸附技術(shù)用于燃煤電廠微污染水的除鹽效果開展實驗研究,探究關(guān)鍵因素對鹽分吸附速率和吸附量的影響,為電吸附技術(shù)在燃煤電廠微污染水除鹽的實際應(yīng)用中提供理論依據(jù)。

1 實驗原理及實驗系統(tǒng)

圖1為電吸附實驗系統(tǒng)圖,原水池中的水經(jīng)過水泵,從下端進(jìn)入電吸附模塊,在電場力的作用下,原水中的陰陽離子分別向帶相反電荷的電極遷移,被該電極吸附,隨著電極吸附帶電粒子的增多,帶電粒子在電極表面富集濃縮,最終實現(xiàn)與水的分離,原水中的溶解性鹽滯留在電極表面,產(chǎn)生的淡水從模塊上端流出,進(jìn)入淡水池,完成吸附過程;當(dāng)電導(dǎo)率儀測定的出水電導(dǎo)率與進(jìn)水電導(dǎo)率相等時,電吸附材料吸附容量飽和,此時將電源反接或斷開電源,將淡水池的水引出,通入電吸附模塊,被吸引的離子重新釋放,形成濃水,完成脫附再生過程。濃水在濃水池中貯存,最終進(jìn)入脫硫系統(tǒng)隨脫硫廢水一起進(jìn)行零排放處理。

圖1 實驗原理及實驗系統(tǒng)

2 影響因素實驗研究

2.1 電壓對活性炭電吸附除鹽的影響

設(shè)置初始NaCl溶液濃度為500 mg/L,流速為10 mL/min,調(diào)整電壓分別為0.4,0.8,1.2,1.5 V在室溫下進(jìn)行電吸附實驗,同時,設(shè)置電壓為0 V為對照組。測得電導(dǎo)率變化并計算電吸附容量,結(jié)果如圖2所示。

圖2 電壓對電吸附速率和吸附量的影響

從圖2(a)中可以看出,在電吸附過程開始后,NaCl溶液的電導(dǎo)率迅速下降,之后降幅變緩,最終穩(wěn)定在某一數(shù)值上,并且在不同電壓條件下都呈現(xiàn)出相同的變化趨勢。這是由于在電吸附模塊開始的初始階段,活性炭材料內(nèi)部的具有大量可供離子占據(jù)的吸附位點,這段時間吸附速率極快,而運行一段時間后,部分孔隙已被帶相反電荷的離子所占據(jù),吸附電位減少,同時在電極材料上形成了雙電層,對離子的吸附能力減弱,再加上同性電子的排斥作用,離子的吸附速率逐漸放緩,最終活性炭材料的吸附達(dá)到飽和,電導(dǎo)率穩(wěn)定在某一值上。從0 V對照組的吸附曲線可以看出,不施加電壓時,電極上的活性炭材料自身也有一定的吸附效果,在極板上施加電壓后可以顯著提高除鹽效果,這說明電吸附除鹽主要是外加電場的吸附作用,其次是材料本身的吸附作用。

從圖2(b)中可以看出,隨著電壓的增大,電極材料的吸附容量先增大,在1.2 V時達(dá)到最大值33.818 4 mg/g,之后隨著電壓的增大,電吸附容量減小。這是因為在達(dá)到極值1.2 V之前,隨著電壓的增大,外加電場的吸附作用增強,雙電層厚度不斷增大,吸附容量增大。在1.2 V之后,由于施加的電壓過大,將溶液電解,發(fā)生了法拉第過程[13],產(chǎn)生的氣體降低了雙電層的吸附能力。

在實際應(yīng)用過程中,適當(dāng)提高施加在電吸附模塊上的電壓有利于提高電吸附效率,但過高的電壓會降低除鹽率,浪費能源,本實驗條件下的最佳電壓為1.2 V。

2.2 流速對電吸附除鹽的影響

設(shè)置恒定電壓1.2 V,NaCl溶液濃度為500 mg/L,調(diào)整流速分別為2,4,6,8,10 mL/min在室溫下進(jìn)行電吸附實驗,測得電導(dǎo)率變化并計算電吸附容量,結(jié)果如圖3所示。

圖3 流速對電吸附速率和吸附量的影響

分析圖3可知,隨著流速的增大,電吸附容量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,在10 mL/min時達(dá)到峰值33.818 4 mg/g。其原因是,在保持電壓和濃度不變的條件下,流速越大,在相同時間內(nèi)到達(dá)極板的離子總量越大,雙電層吸附的離子數(shù)越多。但流速過高時,過快的流速會使離子在吸附模塊中的停留時間縮短,還可能沖刷已經(jīng)吸附在電極材料上的部分離子,影響電吸附效率。

在實際應(yīng)用過程中,應(yīng)控制溶液在吸附模塊中的流速在合理范圍,流速太小,設(shè)備能耗提高,流速太大,影響吸附效率,本實驗條件下的最佳流速為10 mL/min。

2.3 濃度對電吸附除鹽的影響

設(shè)置恒定電壓1.2 V,流速為10 mL/min,100 mL NaCl溶液質(zhì)量濃度分別為100,300,500,700,1 000 mg/L,在室溫下進(jìn)行電吸附實驗,測得電導(dǎo)率變化并計算電吸附容量,結(jié)果如圖4所示。

圖4 濃度對電吸附速率和吸附量的影響

分析圖4(a)可知,隨著電吸附時間的延長,溶液的電導(dǎo)率會不斷下降直至平衡,而且其在開始的200 s內(nèi)下降最快。同時,初始離子濃度越高,電導(dǎo)率的降幅越大,這是因為溶液中的電阻隨著離子濃度的增大而降低,使得溶液中的離子在外加電場內(nèi)的遷移阻力變小,更容易到達(dá)極板并吸附在雙電層上。

從圖4(b)可以看出,隨著初始離子濃度的增大,電吸附容量不斷增大,這是因為溶液的導(dǎo)電能力隨著濃度增大而提高,同時,鹽濃度的提高,意味著單位時間內(nèi)溶液中的離子總量增加,在電極材料吸附能力范圍內(nèi)的吸附總量提高。

實際應(yīng)用過程中,由于電極材料的吸附能力存在上限,當(dāng)離子濃度超出其吸附能力后,即使繼續(xù)提高濃度,也無法使電吸附容量增大,反而會降低電吸附模塊的除鹽率,因此,電吸附技術(shù)適用于處理微污染水質(zhì),但在脫硫廢水等惡劣的高鹽條件下除鹽效果有限。

3 結(jié)論

本文以活性炭作為電極材料,對電吸附技術(shù)用于燃煤電廠微污染水的除鹽效果開展實驗研究,探究關(guān)鍵因素對鹽分吸附速率和吸附量的影響,得出如下結(jié)論:

(1)隨著電壓的增大,電極材料的吸附容量先增大后減小,在1.2 V時達(dá)到最高。在實際應(yīng)用過程中,適當(dāng)提高施加在電吸附模塊上的電壓有利于提高電吸附效率,但過高的電壓會降低除鹽率,浪費能源。

(2)隨著流速的增大,電吸附容量先增加后減少,在10 mL/min時達(dá)到峰值。在實際應(yīng)用過程中,應(yīng)控制溶液在吸附模塊中的流速在合理范圍,流速太小,設(shè)備能耗提高,流速太大,影響吸附效率。

(3)隨著初始離子濃度的增大,電吸附容量不斷增大,但電極材料的吸附能力存在上限,當(dāng)離子濃度超出其吸附能力后,即使繼續(xù)提高濃度,也無法使電吸附容量增大,反而會降低電吸附模塊的除鹽率。