电吸附除盐技术的研究
电吸附除盐技术之电极材料研究进展
Ａｄｖ ｎ ｅ ｉ ｅ ｔ ｏ ｅ Ｍ ａ ｅ ａ ｆＥｌｃ ｒ ｓ ｒ ｉ ｎ Ｔｅ ｈ ｌ ｇ ｏｒ Ｄｅ ａｌ ｔｏ ａ ｃ ｎ Ｅｌｃ ｒ ｄ ｔ ｒ ｌｏ ｅ ｔ ｏ ｏ ｐｔｏ ｃ ｎｏ ｏ Ｏ Ｊｎ —ｉｇ’，ＭＡ ｉｎ ｌ Ａ ｉｇｌ ｎ Ｊａ — ｉ
在经济不断持续高速发展的同时 ，我国面临着 淡水资源严重短缺的局面。淡水 资源总量为 ２ ００ ８０ 亿立方米 ，人均只有 ２０ ３０立方米 ，仅为世界平均
水 平 的 １４ ／ 、美 国 的 １５ ／ ，在 世 界 上 名 列 １１位 ， ２ 是 全球 ｌ 人均水 资 源最 贫乏 的 国家之 一 。到 ２ ３个 Ｏ 世 纪末 ，全 国 ６０多座城 市 中 ，已有 ４ ０多个 城 市 ０ ｏ 存 在供 水 不 足 问 题 ，其 中 比较 严 重 的 缺水 城 市 达 １０个 ，全 国城 市 缺水 总量 为 ６ １ ０亿 立 方米 Ｊ 。而
废水 处理 等多个 领域 ，所 以 已引起众 多学者 的广 泛
关注。
１ 电吸附的基本原理及研 究现状
１ １ 电 吸附基本原 理 ．
电吸 附脱盐 的工作原 理 如下 图所示 。在直 流 电 场 的作 用下 ，当含 盐水溶 液通 过 电极体 系时 ，水 中 可溶性 盐 的阴阳离 子 向电荷相反 的电极作 定 向迁移
活性炭电极电吸附除盐的研究
６ ・ ８
２ ２ 电压 对电 吸附除 盐的影 响 ．
由 １０ｍ ／ 大 到 ５０ｍ ／ ０ ｇＬ增 ０ ｇＬ时 ， 附容 量 提 高 了 吸
取 ５０珥ｒ ０ ／ Ｌ的 Ｎ Ｃ 溶 液 ２ Ｌ置 于 电 吸 附容 ８ ％ ， ａＩ ０ｍ ５ 而吸 附效 率 降低 了 ６ ． ％ ． 能是 因 为初 始 ２９ 可
２０ ０ ８年 １ １月
吉林 师范 大学 学报 （ 自然科 学版 ）
Ｊｕｎｌ ｆ ｉｎＮ ｒ ａ Ｕ ｉ ｒ ｔ Ｎ ｔｒ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） ｏｒａ ｏ Ｊｉ ｏ ｌ ｎｖ ｓｙ（ ａ ａ Ｓｉ ｃ ｄｔｎ ｌ ｍ ｅｉ ｕｌ ｅ ｉ
№ ． ４
第 ４期
Ｎｏ ． （ ８ ｖ ２） ｏ
５ｍｎ 来 的一 种新 型水 处 理方 法 ， 在 电 场作 用 下 通过 在 隔 １ ｉ用电导率仪测定溶液的电导率 ． 是 电极和溶液之间形成一双电层 ， 极性分子或离子被 ２ 结 果 与讨 论 储存在 双电层 中被 去 除 ， 电极 饱 和后 可 以通过 加 当 ２ １ 电吸附 时间的确定 ． 上一 反 向电场 使 电极 再 生Ｌ． ． 对 传 统 的 除 盐 方 ５ Ｊ相 ６ 取 ２ Ｌ５０ｍ ／ ０ｍ ｇ Ｌ的 Ｎ Ｃ 溶液放 入 电吸附容器 ０ ａＩ 法， 电吸附没有高能耗 ， 也没有二次污染 ， 是一种既 在 ． 从 中可 以看到 ， 经济又有效的方法【 ． 实验 中制备 了活性炭 电 中， １２Ｖ的电压下进行电吸附 ． 图 １ ］本 随着时间的 增加 ， 电吸附的除盐率也增加 ． 在前 ３ ｉ ０ ｎ ａ ｒ 极 ， 研究 了活性炭 电极 的性 能 及 影 响活 性 炭 电极 并 内 ＮＣ 的吸附率急剧上升， ｉ后趋于平缓， ５ ｉ ａＩ ６ ｒｎ ０ ａ １ ｎ ０ｒ ａ 电吸附 的各 种 因素 ． 后则基本不变 ， 明此时吸附基本 已达平 衡 ． 说 为了保证 １ 试验部分 吸附的充分 ， 将吸附时间定为 １ ｉ． ０ａ ２ ｒｎ
35000电吸附除盐方案
35000电吸附除盐方案1.方案概述本方案旨在设计一套适用于处理水体盐分过高的问题的电吸附除盐方案。
该方案采用电吸附技术，通过施加电场，利用吸附剂与盐离子间的作用力差异，实现盐分的去除。
该方案的目标是实现去除水体中含盐离子的效果，达到预定的大部分目标。
2.方案设计2.1系统组成该方案主要由供水系统、电吸附单元、供电系统和控制系统组成。
供水系统负责将待处理的水体送入系统，电吸附单元是实现除盐的核心部分，供电系统提供所需的电能，控制系统负责调节电压和电流等参数。
2.2电吸附单元设计电吸附单元主要由吸附剂床、电极和隔板组成。
吸附剂床是吸附离子的主要部分，采用特定的吸附材料，如钙钛矿型材料或改性石墨烯材料。
电极位于吸附剂床两侧，通过施加电压形成电场，促使盐离子向吸附剂表面迁移。
隔板用于隔离不同电极之间的电解液，以防止混合。
2.3供电系统设计供电系统的主要设计考虑因素是提供稳定的电压和电流，以满足需要。
可以选择直流稳压电源作为供电设备，并通过PID控制方式进行电压和电流的调节。
2.4控制系统设计控制系统负责监测和控制整个电吸附系统的运行。
可以使用传感器来监测吸附剂床中的盐离子浓度、电压和电流等参数，以及水体的流量。
控制系统可以根据监测到的数据进行调节，并实时显示系统运行状态。
3.方案优势与应用场景3.1优势该方案具有以下优势：-高效除盐：电吸附技术具有较高的除盐效率，可以去除水中的大部分盐分，包括不同种类的盐离子。
-无化学物质添加：该技术不需要添加化学试剂，减少了对环境的污染和副产物的产生。
-操作简便：该方案的操作相对简单，除盐过程自动化程度高，只需进行必要的监测和调节。
-可重复使用：吸附剂可以经过再生处理后重复使用，降低了运行成本。
3.2应用场景该方案适用于以下场景：-供水厂：可以作为供水厂的预处理工艺，降低供水厂进水中的盐分含量，减轻后续处理的负担。
-工业废水处理：适用于处理工业废水中的盐分，减少对环境的污染。
电吸附除盐技术的研究与应用进展
电吸附除盐技术的研究与应用进展摘要：作为一种新型处理技术，电吸附除盐技术的应用优势较为明显。
通过对目前我国污水处理工作的调查分析可知，电吸附除盐技术已经在工业污水、饮用水净化等方面得到了较为普遍的应用。
本文从电吸附除盐技术的原理入手，对电吸附除盐技术的应用进展进行分析和研究。
关键词：电吸附；除盐技术；应用前言：随着我国经济的不断发展，工业领域、市政领域等产生的污水数量越来越多。
在淡水资源日益紧缺的背景中，人们对污水处理工作的要求和重视程度发生了显著提高。
为了抑制污水排放对自然环境及清洁水源产生的污染作用，应该加强对新型污水处理技术的研究和分析。
一、电吸附除盐技术（一）电吸附除盐技术的原理电吸附除盐技术的作用原理为：通过带电电极的吸附功能将水中的带电粒子和离子吸附到电极表面，实现电极表面溶解盐类的富集，进而实现除盐目的和水淡化目的的一种优质处理技术。
与传统处理技术相比，电吸附除盐技术的环保特征较为明显。
通过对我国近年来污水净化、淡化工作的调查分析可知，电吸附除盐技术在该领域已经得到了较为广泛的应用。
（二）电吸附除盐技术的材料目前已经在电吸附除盐技术中得到广泛应用的材料主要包含以下几种：1.模板炭材料作为一种纳米级网状炭材料，模板炭的应用优势主要体现在自身的孔径可变功能及有序排列特征方面。
在实际的电吸附除盐过程中，可结合实际吸附除盐要求适当调整模板炭材料的孔径参数，并运用有序排列状的孔促进电极将溶液中更多的溶解盐类吸附到电极表面。
2.碳气凝胶材料随着相关技术的不断发展，各种新型材料逐渐被研发出来。
作为一种纳米级的非晶碳材料，碳气凝胶在机械性能、比表面积以及导电性方面有着较为明显的优势。
因此，这种材料逐渐在电吸附除盐技术中得到了应用。
研究表明，基于碳气凝胶的四级电吸附除盐装置可在1.2V条件下，去除1升（质量浓度参数为每升1000毫克氯化钠溶液中99.2%的盐)。
这一数据表明，碳气凝胶的去除效果相对较好。
电吸附技术最新进展
电吸附技术·认识篇电吸附除盐技术（Electrosorb Technology），简称（EST），又称电容性除盐技术，是20世纪90年代末开始兴起的一项新型水处理技术。
该技术利用通电电极表面带电的特性对水中离子进行静电吸附，从而实现水质的净化目的。
电吸附技术原理时间：2011-08-02 来源： 作者：水处理中的盐类大多是以离子（带正电或负电）的状态存在。
电吸附除盐技术的基本思想就是通过施加外加电压形成静电场，强制离子向带有相反电荷的电极处移动，使离子在双电层内富集，大大降低溶液本体浓度，从而实现对水溶液的除盐。
电吸附原理见图，原水从一端进入由两电极板相隔而成的空间，从另一端流出。
原水在阴、阳极之间流动时受到电场的作用，水中离子分别向带相反电荷的电极迁移，被该电极吸附并储存在双电层内。
随着电极吸附离子的增多，离子在电极表面富集浓缩，最终实现与水的分离，获得净化/淡化的产品水。
工作过程示意图在电吸附过程中，电量的储存/释放是通过离子的吸/脱附而不是化学反应来实现的，故而能快速充放电，而且由于在充放电时仅产生离子的吸/脱附，电极结构不会发生变化，所以其充放电次数在原理上没有限制。
当含有一定量盐类的原水经过由高功能电极材料组成的电吸附模块时，离子在直流电场的作用下被储存在电极表面的双电层中，直至电极达到饱和。
此时，将直流电源去掉，并将正负电极短接，由于直流电场的消失，储存在双电层中的离子又重新回到通道中，随水流排出，电极也由此得到再生。
由于电吸附过程主要利用电场力的作用将阴、阳离子分别吸附到不同的电极表面形成双电层，这会使同一极面上的难溶盐离子浓度积相对低得再生过程示意图多，可有效防止难溶盐结垢现象的发生。
其次，电吸附极板间水径流与极板呈切线方向，不利于水中析出难溶盐结晶在极板上的生长。
电吸附可以在浓水难溶盐过饱和状态下运行。
另外，在电吸附模块中，由于电吸附过程中阴、阳离子吸附不平衡，导致产生氢离子含量较多的出水，通过倒极的方式，略偏酸性的出水同样会使有微量结垢现象的垢体溶解掉。
5电吸附除盐技术之电极材料研究进展
在经济不断持续高速发展的同时 , 我国面临着 淡水资源严重短缺的局面 。淡水资源总量为 28000 亿立方米 , 人均只有 2300 立方米 , 仅为世界平均 水平的 1 /4、美国的 1 /5, 在世界上名列 121 位 , 是全球 13个人均水资源最贫乏的国家之一 。到 20 世纪末 , 全国 600多座城市中 , 已有 400多个城市 存在供水不足问题 , 其中比较严重的缺水城市达 110个 , 全国城市缺水总量为 60 亿立方米 [ 1 ] 。而 我国存在着大量苦咸水资源 , 将苦咸水转化成为淡 水是解决我国淡水资源缺乏的主要途径之一 。
石墨电极作为最早的电极材料曾一度引起许多 研究者的兴趣 , 它有着良好的机械性能及可加工 性 , 在电吸附初级阶段得到了一定的发展 。但随着 新型炭材料的出现 , 石墨电极逐渐被取代 [ 10 ] 。 212 活性炭电极
活性炭是微晶碳的变型 , 晶体表面的碳原子与 体相碳原子处于不同的电子能级状态 。与石墨相 比 , 活性炭具有更大的比表面积和吸附容量 , 而且 它的大规模生产使得其成为一种方便易得 、相对廉 价的吸附剂材料 。于是 , 考虑将活性炭用作电吸附 剂的研究不断深入 。
120
四 川 环 境
29卷
图 脱盐示意图 Fig1 Schematic diagram of desalination
112 电吸附除盐的研究现状 电吸附除盐技术在国外研究得比较早 , 技术也
比较成熟 。最早有关于电吸附除盐的报道要追溯到 20世纪 60年代 , Caudle等以直流方式利用多孔活 性炭电极去除水中盐分 , 这是电吸附技术在除盐领 域最早的应用 [ 4 ] 。近几年 , Jae - Bong Lee 等 通 [ 5 ] 过实验发现以 84%的活性炭粉末、4%的 PTFE粘结 剂和 12%的离子交换树脂组成的新型活性炭复合电极 的除盐效率 , 比传统的活性炭电极提高了 35% , 这是 因为这样的组合方式增加了电极的亲水性。
载钛活性炭电极电吸附除盐性能的研究_常立民
第30卷第3期2010年3月环境科学学报Acta Scientiae CircumstantiaeVol.30，No.3Mar.，2010基金项目：吉林省科技发展规划项目（No.20090803），吉林省教育厅科技项目（No.20090198）Supported by the Science and Technology Development Project of Jilin Province （No.20090803）and the Science and Technology Project of Jilin Education Bureau （No.20090198）作者简介：常立民（1966—），男，教授（博士），E-mail ：aaaa2139@ *通讯作者（责任作者）Biography ：CHANG Limin （1966—），male ，professor （Ph.D.），E-mail ：aaaa2139@ *Corresponding author常立民，段小月，刘伟.2010.载钛活性炭电极电吸附除盐性能的研究［J ］.环境科学学报，30（3）：530－535Chang L M ，Duan X Y ，Liu W.2010.Electrosorptive desalination on Ti-loaded activated carbon electrodes ［J ］.Acta Scientiae Circumstantiae ，30（3）：530－535载钛活性炭电极电吸附除盐性能的研究常立民*，段小月，刘伟吉林师范大学环境工程学院，四平136000收稿日期：2009-06-01修回日期：2009-10-07录用日期：2009-12-24摘要：采用sol-gel 法制备载钛活性炭（Ti-AC ），并用此活性炭制取了Ti-AC 电极，利用扫描电子显微镜（SEM ）、X 射线荧光光谱（XRF ）、X 射线衍射仪（XRD ）和电化学工作站等对活性炭电极的表面形貌、元素组成、化合物形态以及电极的电化学性能进行分析，并考察载钛前后活性炭电极的除盐能力，而且对Ti-AC 电极与碳纳米管电极和活性炭纤维电极的实用性进行比较.结果表明，Ti-AC 电极含有一定量的Ti 元素，其形态为金红石型TiO 2，并在电极表面积聚为很多的絮状结构，载钛后双电层形成速率更快，电吸附容量显著提高.对NaCl 的吸附试验表明，Ti-AC 电极物理吸附降低，电吸附明显提高，除盐率提高了62.7%.实用性分析表明，Ti-AC 电极更适宜应用于电吸附除盐.关键词：活性炭；钛；电吸附；除盐文章编号：0253-2468（2010）03-530-06中图分类号：X703文献标识码：AElectrosorptive desalination on Ti-loaded activated carbon electrodesCHANG Limin *，DUAN Xiaoyue ，LIU WeiCollege of Environmental Engineering ，Jilin Normal University ，Siping 136000Received 1June 2009；received in revised form 7October 2009；accepted 24December 2009Abstract ：Activated carbon loaded with titanium was prepared by a sol-gel method ，and then made into electrodes.The electrodes were characterized using Scanning Electron Microscopy （SEM ），X-ray fluorescence diffraction （XRF ），X-ray diffraction （XRD ）and electrochemical techniques to analyze their surface morphology ，elemental composition ，crystal phase and electrochemical performance.And the desalination capability of the electrodes before and after loading with Ti was tested.The performance of the Ti-activated carbon electrode was compared with carbon nanotube and activated carbon fiber electrodes.The results showed that the Ti in the activated carbon electrode was in the form of titanium dioxide （rutile ）.Top grade and TiO 2with flocculent structure accumulated on the surface of the electrodes.Furthermore ，the rate of formation of the electric double layer was greatly increased and the electrosorption capacity was significantly improved after loading with titanium.NaCl electrosorption experiments demonstrated that the electrosorption capacity was obviously increased ，whereas its physical adsorption was decreased ，compared with the activated carbon electrode alone.The desalination rate of the Ti-activated carbon electrode improved by 62.7%over the non-Ti loaded electrode.The analysis results indicate the Ti-loaded activated carbon electrodes are more suitable than other types for electrosorptive desalination.Keywords ：activated carbon ；titanium ；electrosorption ；desalination1引言（Introduction ）水资源短缺是全球面临的一个严重问题（Wanget al.，2003），所以废水的再利用以及苦咸水淡化已引起了人们的高度重视（Zou et al.，2008；代凯等，2008），而除盐则是水处理的一个重要部分.传统的除盐方法有蒸馏、离子交换、电渗析、反渗透等，但这些方法都有局限性，比如，蒸馏能耗较高（Yanget al.，2005）；离子交换会产生二次污染（尹广军等，2003）；电渗析和反渗透的膜处理投资大，维护繁琐（Welgemoeda et al.，2005）.电吸附除盐是近些年发展起来的一种新型水处理方法，是通过在电极表面施加电压或电流，使带电离子向相反的电极运动并吸附在电极上，从而达到除盐的目的（Chen et al.，2005）.相对于其他的水处理方法，电吸附具有投资少、能耗低、无二次污染、循环寿命长和再生容易等3期常立民等：载钛活性炭电极电吸附除盐性能的研究优点，是一种既经济又有效的方法（Zou et al.，2008；Park et al.，2007），因此，电吸附除盐在水处理中有着广阔的应用前景.电极材料是电吸附技术的关键因素，用的电极材料往往是多孔的碳材料，如活性炭、碳纤维、纳米碳管等（Park et al.，2007；Yang et al.，2005；Han et al.，2007），都有良好的效果，但如果要应用于实际工业电吸附除盐中，则需要低成本的电极材料.所以本实验用对价格低廉的活性炭进行改性以提高除盐率，自制Ti-AC电极，并将Ti-AC电极、碳纳米管电极和活性炭纤维电极进行成本和除盐效果综合对比研究，以期为实用提供依据.2材料和方法（Materials and methods）2.1试验试剂和仪器粉末状活性炭（沈阳化学试剂厂）、薄活性炭纤维毡（辽宁安科活性炭纤维应用技术开发公司）、碳纳米管（北京纳辰公司）、酚醛树脂（沈阳新润树脂研究所）、乌洛托品（沈阳新润树脂研究所）、乙醇（A.R.沈阳化学试剂厂）、钛酸丁酯（C.P.天津市福晨化学试剂厂）、浓硝酸（沈阳化学试剂厂）、聚乙二醇（上海光明化工厂）、氯化钠（A.R.沈阳化学试剂厂）、石墨纸（宜昌新城石墨有限责任公司）.DDS-11A型电导率仪：上海雷磁新泾仪器有限公司；CP225D型电子天平：德国Sartourius公司；202-1型电热干燥箱：江苏省东台县电器厂；DF1720SC10A型直流稳压电源：中策电子有限公司；自制电吸附容器：5cmˑ1.6cmˑ3cm；自制小型密封炉.2.2试验操作步骤2.2.1预处理将活性炭、薄活性炭纤维毡、碳纳米管在去离子水中煮沸2h，然后用大量的去离子水洗至电导率10μS·cm－1以下，放入电热干燥箱中烘干24h，取出放在干燥器中待用.2.2.2活性炭改性处理取5.1mL钛酸丁酯，搅拌下滴加12mL无水乙醇，配置成A溶液；取一定量的蒸馏水，加入聚乙二醇，搅拌下加入4mL HNO3，再加入20mL的无水乙醇，配置成B溶液.将B在搅拌下缓慢滴入A溶液中，搅拌2h形成淡黄色透明钛溶胶.在预处理的活性炭中加入一定量的溶胶，蒸干溶剂，置于干燥器中待用.2.2.3电极的制备向改性前与改性后活性炭中加入一定量的粘结剂酚醛树脂和固化剂乌洛托品，用研钵充分研磨混合均匀后，在180ħ下将混合物热压粘结在长5cm、宽3cm的石墨纸上，其中电极有效面积为5cmˑ2.6cm，然后在氮气保护下至850ħ炭化2h，得到AC电极和Ti-AC电极.碳纳米管电极的制备同上.将薄活性炭纤维毡裁成大小5cmˑ2.6cm矩形块，直接做电极.2.2.4电极电吸附与再生试验取质量浓度为500mg·L－1的NaCl溶液20mL置于吸附容器中，电极间距为1.5cm，置于1.2V的电压下，每隔15min 测定溶液的电导率，直至电吸附平衡.电吸附达到平衡进行脱附，脱附时间为30min，前10min电极反接，后20min断电.脱附完成后更换新溶液进行下一循环.2.3测试分析方法利用电导率仪测定溶液浓度；利用S-570型扫描电子显微镜（SEM）分析电极的表面形貌；利用ZSX PrimusⅡ型X射线荧光光谱仪（XRF）测定电极表面的成分；采用PV9900型能谱仪（EDS）分析钛在电极表面的分布；采用日本理学D-max/3C型X 射线衍射光谱仪（XRD）分析钛的化合物的形态；采用3H-2000型全自动氮吸附比表面仪进行样品比表面积的测定；采用PGSTAT302型电化学工作站对电极进行电化学性能测试，测试中采用三电极系统，活性炭电极为工作电极，铂片为对电极，Ag/ AgCl电极为参比电极，电解液为0.1mol·L－1的NaCl溶液，扫描速率为10mV·s－1，扫描电压范围是－1.2 1.2V.3试验结果（Experimental results）3.1活性炭电极表面性质分析图1是载钛前后活性碳电极的XRF谱图.从图1可以看出，载钛后的谱图出现两个新峰，一个是在2θ角为77.221ʎ的Ti-Kβ1峰，强度为0.8kcps；另一个是在2θ角为86.133ʎ的Ti-Kα峰，强度为4.7kcps；SQX计算结果表明，载钛前表面钛含量为0.0125%，载钛后则为2.6253%，说明Ti-AC电极表面已经负载了一定量的钛.图2为载钛前后活性炭电极的XRD图，其中TiO2为溶胶干燥为凝胶后，在850ħ焙烧2h后得到，分析可知此时TiO2的晶型为金红石型.从图2可以看出，Ti-AC电极在35.86ʎ处出现了一新衍射峰，此峰为金红石型TiO2的（101）晶面衍射峰.说明经850ħ炭化后电极上已经负载了纳米TiO2，其晶型为金红石型.135环境科学学报30卷图1载钛前后活性碳电极的XRF 谱图Fig.1XRF spectra of activated carbon electrodes before and after loading withTi图2载钛前后活性炭电极的XRD 图（a.Ti-AC 电极；b.AC 电极；c.850ħ下焙烧的TiO 2）Fig.2XRD of activated carbon electrodes before and after loading with Ti （a.the activated carbon electrode loaded with titanium ； b.the activated carbon electrode ； c.TiO 2calcined at 850ħ）图3为载钛前后活性炭电极的SEM 照片.从图3可以看出，载钛活性碳电极的表面出现了很多絮状的结构，可能是由于高温反应生成的TiO 2在活性炭表面积聚而成.载钛活性碳电极微面的钛元素面扫描的EDS 能谱图表明，Ti 在电极表面上是均匀分布的.通过比表面积测定，载钛前后活性炭样品的比表面积分别为640.71m 2·g －1和546.21m 2·g －1.由此可知，活性炭载钛后，比表面积减小.这可能是因为负载的TiO 2将活性炭的一部分孔洞堵住；另一方面，负载的TiO 2量虽小，但占据了活性炭一部分表面，使它的比表面积小于活性炭的比表面积.图3载钛前后活性炭电极的SEM 照片（a.载钛前；b.载钛后）Fig.3SEM images of activated carbon electrodes before and after loading with Ti （a.the activated carbon electrode ，b.the activated carbon electrode loaded with titanium ）3.2活性炭电极的电化学性能分析图4为载钛前后活性炭电极的循环伏安曲线.从图4可以看出，在所加电压范围内，循环伏安曲线具有对称的形状，电流随电压稳定的升高和降低，没有发生氧化还原反应，说明该电极的析氢过电位很低，没有电解反应发生，电极上只发生电吸附/脱附现象，电吸附是一稳定而又可逆的过程.与载钛前的活性炭电极相比，载钛活性炭电极的循环伏安曲线的电流峰明显升高，表明载钛后电极的双电层的形成速率更快.循环伏安扫描环面积与在电极表面吸附的离子量有关，载钛后扫描面积增大，说明载钛处理使得电吸附容量明显提高（Ryoo et al.，2003a ）.2353期常立民等：载钛活性炭电极电吸附除盐性能的研究图4载钛前后活性炭电极在NaCl 溶液中的循环伏安曲线Fig.4Cyclic voltammograms of activated carbon electrodes before and after loading withTi图5载钛前后活性炭电极的除盐效果Fig.5Desalting effect of activated carbon electrodes before and after loading with Ti3.3载钛前后活性炭电极电吸附除盐效果比较图5是载钛前后活性炭电极除盐效果的比较图.由图5可以看出，载钛前后活性炭电极开路进行吸附时，吸附速率都很小，而施加1.2V 电压后，吸附速率均明显提高，可见电吸附能明显提高电极的吸附速率.且当电极反接后绝大部分离子能从电极上脱附下来，电极得到再生.由图5还可以看出，载钛后电极开路情况下的吸附速率较载钛前有所降低，但电吸附速率大大提高.图6是载钛前后活性炭电极的除盐率.由图可以看出，开路时载钛前后电极除盐率很低，分别为3.8%和2.8%.施加1.2V 电压后，无论是AC 电极还是Ti-AC 电极，电吸附除盐效果都大为改善，AC 电极的电吸附除盐率较开路时提高6.26倍，而Ti-AC 电极则提高15.04倍.可见电吸附能有效提高电极的除盐效果.由图6还可以看出，在开路时，载钛后的除盐率有所降低，但变化不大.而在1.2V 电压下，Ti-AC 电极较载钛前除盐率提高了62.7%.可见载钛使活性炭电极的物理吸附降低，但电吸附加强.图6载钛前后活性炭电极的除盐率Fig.6Desalting rates of activated carbon electrodes before and after loaded withTi图7Ti-AC 电极的电吸附和电脱附循环Fig.7The electroadsorption and electrodesorption cycles of the activated carbon electrode loaded with titanium3.4活性炭电极的再生性电吸附除盐的一大优点是可再生性，即在吸附饱和的电极上加一反向电压，电极将会把离子释放到溶液中，电极得到再生.但由于电极反接脱附的后期电极上的离子剩余比较少，此时电极反向吸附的离子量大于脱附的离子量，使电导率反而上升，因此再生时先将电极反接以快速再生，然后再断电以脱附完全.图7为载钛前后活性炭电极循环吸附/脱附曲线，由图7可以看出，当电极反接时改性前后活性炭电极脱附速率比吸附速率更快，且都有着良好的循环利用性，经过5个循环后吸附效果基本没有降低.但由于物理吸附导致的第一次循环吸附的离子不能完全脱附，而使得以后的循环中吸附率较335环境科学学报30卷第一次偏低，但基本与第二次重复.3.5不同电极的除盐效果对比为了比较Ti-AC 电极、碳纳米管电极和活性炭纤维电极的除盐效果，先将电极在开路下吸附平衡，然后在电极上施加1.2V 电压进行电吸附，吸附达到平衡后再生，结果如图8所示.由图可以看出，3种电极在开路时的物理吸附量差别不大；在1.2V电压下，碳纳米管电极的除盐率高达51.6%，脱附率仅仅44.57%；Ti-AC 电极除盐率为44.9%，但脱附率高达89.75%；活性炭纤维由于电极较薄，所以吸附率为13.8%，但脱附效果较好，脱附率为55.9%.图8不同电极的除盐效果比较图Fig.8Comparison of the desalting effect of different electrodes4讨论（Discussion ）4.1电增强吸附成因由载钛前后活性炭电极对NaCl 的吸附与电吸附试验结果可以看出：施加电压可以明显提高电极对离子的吸附.而饱和后施加反向电压可以使电极再生.活性炭对水中NaCl 的吸附与其表面结构和化学特性有密切的关系.活性炭并非单纯游离碳，而是含碳量多、分子量大的有机分子凝聚体，基本上属于苯核的各种衍生物，其上存在大量含氧基团，如羟基（—OH ），甲氧基（—COH 3）等.在这些极性官能团上吸附了大量的Na +和Cl －.从电化学角度来看，当电极与溶液接触形成新的界面时，来自体相中的游离电荷或偶极子会在界面上重新排布，形成双电层，因此在界面间相应地存在着电位差.对电极施加一定外电压后，在不发生电极反应的情况下，界面间的电位差增大，在静电引力的作用下进而加强了Na +和Cl －的电吸附.当电极施加一反向电压时，由于电极与所吸附离子的电性相同，互相排斥，所以所吸附的Na +和Cl －又会回到溶液中，电极可以得到再生.4.2载钛活性炭电极增强电吸附除盐的机理分析载钛使得电吸附除盐率提高是活性炭的载钛改性与施加电压共同作用的结果.活性炭电极的吸附包括物理吸附和电吸附，物理吸附主要是因为活性炭表面的极性官能团和离子之间的作用，而电吸附主要是带电电极表面和离子之间的作用.活性炭吸附时，极性官能团是物理吸附的主要吸附点，活性炭加入溶胶后，钛的醇盐与极性官能团反应，极性官能团减少，从而抑制了物理吸附，而经高温反应生成TiO 2负载在活性炭表面，引入的钛原子的极性随所加电场而改变，从而增加了电吸附的吸附基点，使得电吸附速率和吸附容量明显提高（Ryooet al.，2003b ）.这在图4循环伏安测试和图6载钛前后活性炭电极除盐率的试验结果中均得到验证.4.3电极实用性分析为了探讨电极的实用性，对单位面积的Ti-AC 电极、碳纳米管电极和活性炭纤维电极的电极材料的成本以及电极的除盐率和脱附率进行了比较分析.成本核算时电极材料单价均以工业生产价格为标准，Ti-AC 电极的材料包括活性炭、石墨纸、酚醛树脂、乌洛托品、钛酸丁酯、浓硝酸和无水乙醇；碳纳米管电极的材料包括碳纳米管、石墨纸、酚醛树脂和乌洛托品；活性炭纤维电极则仅用薄活性炭纤维毡即可.表1列出了不同电极的电极材料成本、除盐率和脱附率.从表1中可以看出，碳纳米管电极虽然除盐率最高，但脱附效果差，尤其是电极的费用达到了3060.13元·m －2，并不适于工业中大规模的制备电极；薄活性炭纤维毡电极成本居中，但除盐率仅仅13.8%；载钛活性炭电极成本最低，且具有相对比较高的除盐率和脱附率，可广泛应用于工业电吸附除盐中.表1不同电极的实用性比较Table 1The comparison of the practical use of different electrodes电极电极材料成本/（元·m －2）除盐率脱附率Ti-AC 电极7.2744.9%89.75%薄活性炭纤维毡20.2313.8%55.90%碳纳米管电极3060.1351.6%44.57%4353期常立民等：载钛活性炭电极电吸附除盐性能的研究5结论（Conclusion）1）经载钛改性后的活性炭电极负载了金属钛，其形态为金红石型TiO2，在电极表面积聚为很多絮状结构.2）经载钛改性后活性炭电极的循环伏安曲线的电流峰明显升高，扫描面积明显增大，表明改性后电极的双电层的形成速率更快，电吸附容量也明显提高.3）NaCl的电吸附试验表明载钛后电极的除盐率提高了62.7%.4）载钛前后活性炭电极都有很好的循环利用性，经过5个循环后电吸附效果没有明显变化.5）载钛活性炭电极、碳纳米管电极和活性炭纤维电极的实用性比较表明，载钛活性炭电极是最适合应用于实际电吸附除盐.参考文献（References）：Chen R，Hu X E.2005.Electrosorption of thiocyanate anions on active carbon felt electrode in dilute solution［J］.Journal of Colloid andInterface Science，290：190—195代凯，施利毅，方建慧，等.2005.碳纳米管电极电吸附脱盐工艺的研究［J］.应用科学学报，23（5）：539—544Dai K，Shi L Y，Fang J H，et al.2005.Desalination techniques of carbon nanotube electrodes by electric adsorption［J］.Journal ofApplied Science，23（5）：539—544（in Chinese）Han Y H，Quan X，Chen S，et al.2007.Electrochemical enhancementof adsorption capacity of activated carbon fibers and their surface physicochemical characterizations［J］.Electrochimica Acta，52：3075—3081Park K K，Lee J B，Park P Y，et al.2007.Development of a carbon sheet electrode for electrosorption desalination［J］.Desalination，206：86—91Ryoo M W，Kim J H，Seo G.2003.Role of titania incorporated on activated carbon cloth for capacitive deionization of NaCl solution ［J］.Journal of Colloid and Interface Science，264：414—419 Ryoo M W，Seo G.2003.Improvement in capacitive deionization function of activated carbon cloth by titania modification［J］.Water Research，37：1527—1534Wang S，Wang D Z，Ji L J，et al.2007.Equilibrium and kinetic studies on the removal of NaCl from aqueous solutions by electrosorption on carbon nanotube electrodes［J］.Separation and Purification Technology，58：12—16Welgemoeda T J，Schutte C F.2005.Capacitive Deionization Technology TM：An alternative desalination solution［J］.Desalination，183：327—340Yang C M，C W H，Na B，et al.2005.Capacitive deionization of NaC1 solution with carbon aerogel silica gel composite electrodes［J］.Desalination，174：125—133尹广军，陈福明.2003.电容去离子研究进展［J］.水处理技术，29（2）：63—66Yin G J，Chen F M.2003.Progress in capacitive deionization［J］.Technology of Water Treament，29（2）：63—66（in Chinese）Zou L D，Morri G，Qi D ing activated carbon electrode in electrosorptive deionisation of brackish water［J］.Desalination，225：329—340535。
科技成果——电吸附除盐技术
科技成果——电吸附除盐技术技术开发单位沈阳工业大学所属领域环境与化学工程成果简介电吸附技术是利用一对高比电容的电极组成流通电容器结构，通过电容充电/放电实现除盐的一种新型水处理技术。
采用高效功能性电极材料，依据流变学、水力学、电化学、机械学理论，设计加工除盐电极和水处理模块组件。
施加较低直流电压，配置检测仪表和自动控制设备，即组成了经济实用的电吸附除盐系统。
运行时在很短时间内即可获得净化水。
电吸附饱和后，通过短接可将吸附在电极表面和孔隙的带电粒子脱离富集，再生过程简单快速。
应用范围节能环保、环境新材料等技术特点随着电吸附除盐技术的不断发展，电吸附已逐渐渗透到苦咸水淡化、家庭饮用水生产、纯水/高纯水制备、工业含盐废水处理、重金属回收利用、溶液浓缩及离子提纯等领域，并取得了较好的效果。
电吸附除盐技术效率较高、效果较好；工作电压低，利用低压直流电源供电，操作过程安全、便捷、简单；资源利用率高，可利用太阳能等可再生清洁能源供电，可将其视为是完全环境友好的；电极通过互换极性（反接）或短路（短接）的方式实现再生，不需要使用化学试剂进行再生，无需消耗酸碱，技术污染小，无副产物，不会造成二次污染；能耗低、能源利用率高，且脱附过程中产生的电能可被回收利用，与其他的能量回收相比，该过程更简单，费用更低；电极吸附过程只有溶液中的带电离子被滞留，过程产水回收率高（>95%）；不需要使用成本高昂的膜材料，无需高压，在设备、厂房方面要求更低，更加经济实惠，成本低，具有良好的产业化前景。
技术水平国内领先生产使用条件电吸附除盐技术目前主要适用于中低浓度含盐水，原水的来源多样，如普通市政自来水或地下水，工农业生产产生的含盐废水等。
进水水质的悬浮性固体≤5mg/L，浑浊度≤5NTU，需经过隔油、混凝、过滤等预处理单元去除大部分COD Cr及油类，或后置于污水生化处理单元、电催化氧化处理单元等。
进水温度及pH范围较宽，制水能力约0.5-20m3/h，产水率高达70%以上，除盐率≥50%，工作压力≤0.1MPa，使用电源AC380V、50Hz，工作电压0-2V，无需再生剂再生，设备维护简单，集成度高，运行方式可选择半自动或自动。
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东北电力学院学报
第25卷第4期 Journal Of Northeast China Vol.25,No.4 2005年8月Institute Of Electric Power Engineering Aug.,2005
文章编号:1005-2992(2005)04-0072-03
电吸附除盐技术的研究
张海平1,吴丽明2,杨 震1,关晓辉1
(1.东北电力学院,化学工程学院,吉林吉林132012;2.吉林化学工业公司研究院,吉林吉林132021)
摘 要:采用表面喷塑的铝板为电极材料,自制了一组电容去离子(EST)模块,并且通过实验确定
厂EST模块运行的最佳条件。
结果表明:当电压V=2.5V、流速 =50mL/min时,串联EST模块对自
来水除盐效果较好。
此装置因除盐效果好且耗能低,在除盐工艺中将有很好的应用价值。
关 键 词:EST模块;电吸附;除盐;淡化
中图分类号:T P18 文献标识码:A
人类进入21世纪后,所面临的严重挑战就是水资源紧缺和水环境污染问题。
由于我国水资源匮乏,污水的大量排放将进一步加剧用水矛盾,水资源污染的问题已经迫在眉睫,人与水的关系可谓是唇亡齿寒。
在我国工业蓬勃发展的过程中,水更是工业生产的血液。
工业生产过程中所需要的水,很大部分是由除盐系统提供的除盐水或纯水。
目前在国内应用的除盐工艺主要有:化学除盐(离子交换法)、膜分离技术除盐(电渗析和反渗透法)和热力除盐(蒸馏法)。
目前,去除水中阴阳离子(包括重金属和放射性同位素)的主要手段为离子交换法。
但此法需要大量的离子交换树脂和再生用的酸碱等工业原料,因此不仅运行费用很高,而且酸碱废液的排放还会造成污染。
膜分离法对膜和进水水质的要求很高,此外运行和维护的操作也比较麻烦。
热力除盐因耗能高使得制水成本相当高,不能满足大量工业生产用水,因此该法难以实现工业化[1,2]。
电吸附除盐又称电容去离子(Electro Sorb Technology,简称EST),因其具有运行能耗低、水利用率高、无二次污染和操作、维护简便等优点,可以应用在饮用水净化、海水、苦咸水淡化(净化)、废水处理领域和工业用水处理等领域,所以已引起众多学者的广泛关注[3~5]。
本文中作者自行设计了EST模块,并采用串联组合EST模块形式对自来水进行电吸附处理,除盐效果显著且处理成本低。
1 EST模块制作
1.1 电极材质的选择
EST模块处理效果主要取决于电极的吸附能力,电极直接影响正常运行和除盐效果。
它必须具有:(1)良好的化学和电化学稳定性,最好既能耐阳极氧化,又能耐阴极还原;(2)导电性好,电阻小;(3)机械性好,易于加工;(4)原材料便宜[5,6]。
实验过程中,选择符合上述要求的铝合金片板为电极材质。
1.2 电极的加工
首先,将铝片加工成长10cm、宽5cm、厚2mm的80片铝电极;然后采用镀膜喷涂工艺,在铝极板表面喷涂上一层防腐膜,能有效的防止铝离子的析出。
收稿日期:2005-04-18
作者简介:张海平(1962-),男,东北电力学院化学工程学院副教授.
图1 模块设计图1.3 模块的加工
模块设计如图1所示。
从图上可知,模块上有两种长度不同的卡
槽,较深的卡槽用来镶嵌极板,而相对较浅的卡槽用来固定极板,这样极
板就不会因松动而短路。
此外,两卡槽的宽度也不一样。
深槽的宽度和
极板的宽度一致,而浅槽宽度仅为2mm ,有利于水的流通。
单模块整体
由15对,即30块电极板组成。
2 结果与讨论
2.1 单模块运行条件选择
图2 恒流条件下电压对电导率影响2.1.1 最佳电压测定
将自来水以线形测量方式、恒流( =50mL/min)条
件下,改变电压V= 1.5、2.5、3.5V,检测出水电导率(如
图2所示)。
由图2可知,恒流条件下的电压越高,出水电导率
最低值就越小。
此外,电压越高,电导率到达最低值的
时间越短,同时电导率回升的越早。
这是因为电压越
高,模块极板间的电流密度也就越大,从而水中离子的
运动速度也越快,因此离子吸附亦快得多;但也是因电
压越高,电极板的电解和极化现象加剧,离子吸附的时
间也相应缩短。
由此,可得出一个经验公式:
除盐最佳时间的相对除盐量=(原水的电导率-最低电导率) 最佳时间
根据以上公式即可得出单模块的最佳电压值为2.5V 。
2.1.2 最佳流速测定
在恒电压V=2.5V 条件下,分别调节流速 =25mL/min 、50mL/min 、100mL/m in,检测出水电导率(如图3所示)。
图3 恒压条件下流速对电导率影响
由图3可知,恒电压条件下,流速越小则出水电导
率越低,即处理效果越好。
这是因为水的流速越慢,电
极板吸附水中离子就越多,因而处理效果越好。
相反,
水流流速越快,因水流冲刷作用将带走越多的离子。
当
水流流速趋于零时,吸附效果将达到最好;而当水流流
速趋于无穷大,吸附离子数量也将趋于零。
但是,流速
过慢将使模块耗电量增大,所以从EST 模块运行的可
行性及经济性角度考虑,选用运行条件为:电压V= 2.5
V 、流速 =50mL/min 。
2.2 串联双模块
水路和电路连接如图4所示,蓄水池位于较高的位置。
利用虹吸将水从蓄水池引入到模块中,模块的电极接直流电源,最后用电导率仪对除盐后的出水进行实时监测。
2.2.1 串联双模块除盐
在双模块串联的情况下,调节电压V=2.5V 、流速 =50mL/min,检测出水电导率(如图5所示)。
由图5可知,除盐时间与单模块相当,所以除盐时间主要取决于电压大小;并且两模块串联使用时73第4期张海平等:电吸附除盐技术的研究
的出水电导率较单模块低( 20uS/cm),
所以双模块串联法在除盐工艺中将有很好的应用价值。
图4 串联EST 模块
图5 串联双模块与单模块比较
图6 双模块再处理
2.2.2 双模块再处理实验
将双模块串联后处理的出水,再次回流至双模块
中,调节电压V= 2.5V 、流速 =50mL/min,检测出水
电导率(如图6所示)。
由图6可知,随着模块级数的递增,电导率值明显
下降,即除盐效果增强。
因此,在实际生产中,如果要提
高出水水质可以适当增加模块的数量。
3 结 论
在电压V= 2.5V 、流速50mL/min 时,采用铝板作
为电极的自制EST 模块对自来水能够达到较好的除盐效果,除盐率达80%以上。
在出水水质要求较高的工艺中,可以采用增加串联模块的数量来达到要求。
此装置因除盐效果好且耗能低,在除盐工艺中将有很好的应用价值。
参 考 文 献
[1] 尹广军,陈福名.电容去离子研究进展[J].水处理技术.2003,04(10).
[2] 霍仲存,钱凯,刘念华.工业水处理原理和应用[M ].化学工业出版社.2002-11.
[3] 倪亚明,宋卫锋,何德文.电解法水处理技术的研究进展[J].化学环保.2001-01-21.
[4] 孙晓慰,朱国富.电吸附水处理技术(EST)的原理及构成[J].工业用水与废水.2002-03-03.
[5] 孙晓慰,朱国富.电吸附水处理技术与设备[J].水处理技术.2002-5,15.
[6] 杨玉成,孙晓慰,朱国富.EST 技术及其住宅直饮水设备[J].节能与环保技术.2002-6-30.The Research of the Desalt by ElectroSorb Technology
ZHANG Ha-i ping,WU L-i ming,YANG Zhen,GUAN Xiao -hui
(Chemical Engineer ing Institute of No rtheast China Institute of Electr ic Po wer Engineer ing ,Jilin City 132012)
Abstract:T he unit of ElectroSorb T echnolog y(EST )is sel-f made and the material of the electrode is alu -m inum.And the optimal running conditions are confirmed.The research show s that w hen the value of volt -age is 2.5V and the value of flow ing velocity is 50mL/min,the desalt effect of tap w ater through the series -w ound EST is good.And because of the w ell desalted effect and low energy consumption,the ElectroSorb technology module w ill have well applied value.Key words:T he unit of EST ;Electro Sorb;Desalt;Water purification 74 东北电力学院学报第25卷。