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活性炭纖維覆膜電極高電壓電吸附處理含鹽廢水

價值中國
2015-11-16
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        關鍵字:絮凝劑 破乳劑 藥劑 重金屬捕捉劑 COD去除劑
        隨著經濟的快速發展,水資源短缺已成為全球面臨的一個嚴峻挑戰〔1〕,因此,如何對廢水如中水、生化尾水、循環冷卻水等進行除鹽處理實現回用,受到人們的廣泛關注。在傳統的廢水除鹽方法中,蒸餾法能耗高〔2〕,離子交換法會產生二次污染〔3〕,電滲析、反滲透處理技術則投資大且維護繁瑣〔4, 5, 6〕,不能滿足廢水回用處理的需求。在新型除鹽技術中,電吸附除鹽被認為是一種具有廣闊應用前景的新技術〔7〕。電吸附除鹽技術是在電極表面施加一定的電壓,帶電離子在電場力的作用下,向反向電極移動并吸附在電極上,從而達到除鹽的目的〔8, 9, 10〕。該處理技術具有設備投資少、無二次污染、節能等優點〔11〕。電吸附除鹽技術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,較低的電壓會制約除鹽效率,導致淡水出水率低,能耗高;同時,電極的使用壽命短,需使用特殊材質。

  本研究針對電吸附除鹽技術存在的問題,采用涂覆技術在活性炭纖維電極表面涂覆一層高分子有機絕緣層,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,不僅可降低對電極材質的要求,提高其使用壽命,同時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 實驗部分

  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??萍加邢薰?。

  儀器:FE30型電導率儀,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,賽多利斯科學儀器有限公司;DF1761SL3A直流電源供應器,中策電子有限公司;XT5118-OV50電熱鼓風干燥箱,杭州雪中炭恒溫科技有限公司;DK-98-11電子萬用爐,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和揮發性物質。

  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,放入馬弗爐內升溫至150 ℃,并保持30 min,自然冷卻。

  1.3 實驗方法

  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,涂覆有機膜的活性炭纖維電極接正極,預處理后的活性炭纖維電極接負極。配制的氯化鈉模擬廢水通過恒流泵流入除鹽裝置,關閉恒流泵,調節電壓,處理一定時間后出水。

  圖 1為25 ℃下NaCl溶液電導率隨溶液濃度的變化趨勢。

  

 

  圖 1 25 ℃下NaCl溶液電導率隨溶液濃度的變化趨勢

  由圖 1可知,NaCl溶液電導率與溶液中離子的濃度呈較好的線性關系,即溶液電導率的變化可間接反映溶液中NaCl濃度的變化。因此,可通過溶液電導率的變化來評價除鹽的效果。由圖 1擬合得出25 ℃下溶液電導率與溶液濃度的關系式:

  

 

  2 結果與討論

  2.1 外加電壓對除鹽效果的影響

  外加電場的大小是決定電吸附除鹽效果的關鍵因素之一。根據雙電層理論,在不發生電化學反應的情況下,雙電層具有電容的特性,對其進行充放電,水中的粒子將會富集在電極-溶液界面〔12〕。在傳統的電容吸附除鹽中,電壓并不是越高越好,過高的電壓會導致水解的發生。理想情況下,水的標準電極電位為1.229 V,有文獻報道〔13〕,當電壓超過1.6 V時,溶液就會發生水解現象,這嚴重制約了電除鹽效率和應用。本研究通過對電極表面的改性,實現了在更高電極電壓下進行電吸附除鹽,有利于除鹽效率的提高。

  實驗配制300 mg/L的NaCl溶液,在25 ℃下分別施加不同的外加電壓30 min,考察外加電壓對除鹽效果的影響,結果如圖 2所示。

  

 

  圖 2 外加電壓對除鹽效果的影響

  由圖 2可知,隨著外加電壓的增大,電導率呈現先下降后緩慢上升的變化趨勢。當電壓從10 V提高到17.5 V時,電導率快速下降;當電壓從17.5 V提高到22.5 V時,電導率變化不大,在電壓為22.5 V時,電導率去除率最大,為83.5%,此時吸附除鹽量為0.273 mg/cm2;當電壓從22.5 V增加到30 V時,電導率略有上升。實驗結果表明,在電壓為10~ 17.5 V的范圍內,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,溶液電導率下降明顯;在電壓為17.5~22.5 V的范圍內,電極表面離子吸附基本達到飽和,吸附和脫附過程處于動態平衡,因此電導率變化不明顯;繼續提高電壓,溶液中出現少許微小氣泡,說明此時溶液出現了一定程度的電解,導致溶液電導率略有上升??梢?,在不發生水解和吸附未達飽和的前提下,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 吸附時間對除鹽效果的影響

  在電容吸附除鹽中,吸附時間的長短不僅會影響除鹽能耗,也會影響電極壽命。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,考察了吸附時間對除鹽效果的影響,結果如圖 3所示。

  

 

  圖 3 吸附時間對除鹽效果的影響

  由圖 3可知,在吸附時間為0~10 min時,隨著吸附時間的增加,電導率略有下降,表明在此時間段,電極表面吸附的離子較少,溶液主體中離子濃度下降較小;在吸附時間為10~25 min時,隨著吸附時間的增加,電導率急劇下降,說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了明顯的下降;在吸附時間為25~45 min時,隨著吸附時間的增加,溶液電導率變化不大,表明此時電極吸附已達到平衡;繼續延長吸附時間,電導率卻緩慢上升,說明吸附時間過長,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率緩慢上升。確定25~40 min為最佳吸附時間段。

  2.3 進水NaCl濃度對除鹽效果的影響

  在電吸附過程中,施加電壓產生的電荷分布在電極表面,在正負電極間產生電場,在電場力的作用下,溶液中的離子向相反電荷電極的表面遷移,電場力越強,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;當富集的離子電荷數與電極表面分布的相反電荷數接近時,電極吸附趨近飽和,此時電極吸附處于動態平衡,因此在相同的吸附時間下,電極吸附的離子電荷數與溶液中離子濃度有關。在溫度為25 ℃,外加電壓為10、15、20 V,吸附時間為40 min的條件下,考察了進水NaCl濃度對除鹽效果的影響,結果如圖 4所示。

  

 

  圖 4 進水NaCl濃度對除鹽效果的影響

  由圖 4可以看出,當進水NaCl濃度較低時,不同電壓下的溶液電導率相差不大且很小,電導率去除率均較高,其中對100 mg/L到300 mg/L的NaCl溶液,當電壓為15 V和20 V時,溶液電導率去除率相差不大,均可達80%以上,最高可達91%;而當電壓為10 V時,電導率去除率明顯偏低。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,但當電極施加電壓達到一定程度后,溶液電導率已很小,即溶液主體離子濃度很小,此時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較少,因而溶液電導率和電導率去除率變化不明顯。隨著進水NaCl濃度的增加,不同外加電壓下溶液的電導率明顯增加,電導率去除率快速下降;但在高電壓下,溶液電導率升高相對緩慢,且電導率去除率相對較高,在進水NaCl質量濃度為1 000 mg/L時,電導率去除率仍接近50%。

  溶液離子濃度的增加雖然使得溶液電導率去除率顯著降低,但電極單位面積對離子的絕對吸附量卻明顯增加,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系

  圖 5表明,電壓越高,電極單位面積吸附離子的絕對量越大,表明高電壓有助于提高電極吸附絕對量,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,對在不同電壓下對不同濃度的NaCl溶液處理40 min后所得的吸附量曲線進行擬合,結果如表 1所示。

  

 

  由表 1可知,當電壓為10 V時,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;當電壓為20 V時,Freundlich模型的擬合效果更好,溶液中離子在電極上呈現出多層吸附的趨勢,說明電壓越高,離子越能在電極表面呈現多層吸附,而吸附層數越多,吸附量越大,除鹽效果越好。擬合結果表明,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。

  3 結論

  (1)采用有機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,仍具有較好的除鹽效果。在不發生水解情況下,最佳電壓為20 V。

  (2)當進水NaCl質量濃度為300 mg/L,外加電壓為20 V時,25~40 min為最佳吸附時間段。

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

  (4)在低電壓 (<10 V) 時,吸附更傾向于單分子層吸附;高電壓時,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。

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