華北電力大學(xué)馬雙忱教授：電吸附技術(shù)在電力行業(yè)廢水處理中的應(yīng)用
摘 要：傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)面臨著系統(tǒng)繁雜，運(yùn)行費(fèi)用高、易結(jié)垢和腐蝕等問(wèn)題，因此需要采用一種一體化的多功能耦合系統(tǒng)，兼顧除鹽、防垢等功能，用以除去廢水中的污染物。電吸附技術(shù)是一種可實(shí)現(xiàn)水的凈化、淡化的新型水處理技術(shù)，可在低能耗的前提下有效去除水中的雜質(zhì)離子而不結(jié)垢。綜述了電吸附理論的發(fā)展沿革、電吸附原理和雙電層理論要點(diǎn)、電吸附結(jié)構(gòu)及其工作流程等，介紹了幾種主要的電吸附材料及其優(yōu)缺點(diǎn)。基于日趨嚴(yán)格的環(huán)保要求，電吸附技術(shù)以其低能耗、低成本、無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)，可望在電力行業(yè)得到較廣泛的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:電吸附；電力行業(yè)；廢水處理；應(yīng)用進(jìn)展
0 引 言
我國(guó)水資源較為豐富，但由于人口基數(shù)大，人均淡水資源占有量?jī)H為世界人均淡水資源占有量的1/4，是全國(guó)13個(gè)水資源緊缺國(guó)家之一[1]。電廠耗水量大，每年廢水的排放量巨大，若直接排放未達(dá)標(biāo)的廢水，會(huì)污染土壤、地表水和地下水等，危害人類健康。2015年，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(即“水十條”)[2]，明確提出全面控制水污染物排放；2018年修編的《發(fā)電廠廢水治理設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)水收集和貯存等設(shè)施的相關(guān)設(shè)計(jì)提出了要求，采取廢水零排放處理。
火電廠廢水的水質(zhì)、水量差異大，廢水中的污染物以無(wú)機(jī)物為主，且間斷性排水較多。電廠中的廢水主要包括脫硫廢水、設(shè)備沖洗排水、沖灰廢水和含油廢水等，廢水處理方法一般為曝氣氧化、酸堿中和與混凝澄清。在正式開(kāi)始實(shí)施的《火電廠污染防治可行技術(shù)指南》中，明確針對(duì)脫硫廢水制訂了具體的處理方法，并在廢水近零排放技術(shù)中強(qiáng)調(diào)，除脫硫廢水外，各類廢水經(jīng)處理后基本能實(shí)現(xiàn)“一水多用，梯級(jí)利用”、廢水不外排，因此，實(shí)現(xiàn)廢水近零排放的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放[3]。近年來(lái)，電吸附技術(shù)(Electro adsorption technology，EST)，又稱電容去離子技術(shù)(Capacitance deionization，CDI)引起了廣泛關(guān)注[4]。本文綜述了電吸附的發(fā)展沿革，介紹了電吸附原理、結(jié)構(gòu)、吸附材料及發(fā)展趨勢(shì)。
1 電吸附技術(shù)
電吸附技術(shù)是利用帶電電極表面吸附水中離子及帶電離子，使水中物質(zhì)在電極表面濃縮富集，從而實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能的低鹽或中鹽水淡化技術(shù)[5]。電吸附過(guò)程分為吸附過(guò)程和脫附過(guò)程2部分，其原理如圖1所示[6]。處理水通過(guò)多孔電極時(shí)，會(huì)受到系統(tǒng)施加的電場(chǎng)力，當(dāng)電極上的帶電電荷進(jìn)入溶液中時(shí)，溶液中的離子被重新分布與排列；同時(shí)，在庫(kù)侖力作用下，帶電電極與溶液界面被反離子占據(jù)，界面剩余電荷的變化會(huì)引起界面雙層電位差的變化，從而在電極和電解質(zhì)界面形成致密的雙電層(Electric double layer,EDL)[7]。溶液中陰陽(yáng)離子逐漸遷移到極性相反的電極板上，離子被吸附在材料表面，達(dá)到脫除污染物的目的。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，吸附在電極表面的離子達(dá)到飽和，需對(duì)吸附材料進(jìn)行脫附再生[8]。一般采取極性對(duì)調(diào)或短路的方式進(jìn)行脫附，使吸附在材料表面的離子通過(guò)電場(chǎng)的排斥作用被釋放到溶液中，最終生成濃水排出，實(shí)現(xiàn)脫附[9]。
圖1 電吸附與脫附原理示意[6]
Fig.1 Schematic diagram of electrical adsorption and desorption[6]
2 電吸附基本理論
2.1 電極吸附材料
吸附材料以碳材料為主，具有吸附容量大、再生效果好、低價(jià)易得等優(yōu)點(diǎn)[10]。常用的電極材料包括活性炭、石墨烯、碳?xì)饽z等[11]。優(yōu)良的電極吸附材料應(yīng)具有較大的比表面積、正常工作時(shí)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、離子在孔徑中的遷移率高、電子在電極材料內(nèi)具有很好的傳導(dǎo)性、多孔電極和集電器之間的接觸電阻低、良好的潤(rùn)濕性、低成本和可擴(kuò)展性、良好的可加工性、較大的比表面積、高生物惰性[12]。
1)活性炭和活性炭布
活性炭(Activated carbons,ACs)是使用最廣泛的多孔碳，其用途已在20世紀(jì)六七十年代電容去離子技術(shù)早期研究中得到證實(shí)。由樹(shù)脂衍生的丙烯酸酯(ACs)可用于珠狀、纖維或整料的合成，其他多數(shù)的ACs通常是微米級(jí)顆粒組成的粉末，如將聚丙烯腈(Polyacrylonitrile,PAN)和導(dǎo)電添加劑(炭黑)混合可制得微米碳纖維[13]。孔隙結(jié)構(gòu)[14]是活性炭的最重要特征，通過(guò)提高總孔體積/比表面積的比值，可增大鹽吸附容量。
2)有序介孔碳
有序介孔碳(Ordered mesoporous carbons,OMCs)具有高度周期性的六角形或立方排列的介孔，可通過(guò)軟模板或硬模板得出。對(duì)于硬模板，如沸石或有序介孔二氧化硅，用碳前體滲透后碳化，最后化學(xué)除去初始模板(如使用氫氟酸)得到OMCs；軟模板是較新型的OMCs材料合成方法，其涉及三嵌段共聚物的自組裝和熱去除，最后留下的唯一固相碳保留了模板的有序多孔特征[15-16]。
3)碳?xì)饽z
碳?xì)饽z(Carbon aerogels,CAs)結(jié)合了5-磺基水楊酸(Sulphosalicylic acid,SSA)(比表面積通常為400～1 100 ㎡/g，最高達(dá)1 700 ㎡/g)[17]具有高導(dǎo)電率(25～100 S/cm)和低質(zhì)量密度(<0.1 g/mL[18])等優(yōu)點(diǎn)。大部分SSA與中間孔隙(介孔)有關(guān)，根據(jù)不同的合成條件，也可能存在與顆粒內(nèi)孔隙度相關(guān)的微孔[19]，其比表面積從10 m2/g或更低，到超過(guò)600 m2/g[20]。與乙酸纖維相比，基于碳干凝膠的電容去離子電極，合成后的初始孔隙率顯著降低[21]。碳?xì)饽z和干凝膠在介孔范圍內(nèi)的孔徑對(duì)于離子存儲(chǔ)最佳，因?yàn)殡婋p層不重疊[22]且介孔尺寸便于離子傳輸。因此適用于CDI應(yīng)用。
4)碳化物衍生的碳
與ACs不同，碳化物衍生的碳(Carbide-derived carbons,CDCs)只有極窄分布的微孔，沒(méi)有介孔，與OMCs不同，CDCs中的小孔未以一種或多種方式排列。CDCs采用高溫(200 ℃)下干燥氯氣中通過(guò)蝕刻碳化物粉末生成，氯處理后進(jìn)行氫氣退火除去殘留的氯化合物，生成的SSA比表面積在1 200～2 000 ㎡/g，活化后增至3 200 ㎡/g[23]。目前，來(lái)自碳化鈦(TiC-CDC)的CDCs的CDI容量已被開(kāi)發(fā)為孔徑小于1 nm的純微孔材料[24]，其前微孔是限制離子傳輸?shù)闹饕蛩亍?/p>
5)碳納米管和石墨烯
碳納米管(Carbon nanotubes,CNTs)和石墨烯作為CDI電極材料，其表面區(qū)域均可進(jìn)入，這主要是由于該區(qū)域位于材料外側(cè)，與ACs相反(幾乎整個(gè)吸附區(qū)域在顆粒內(nèi))。
6)炭黑材料
炭黑(Carbon black，CB)是具有低的比表面積(通常<120 ㎡/g)、高導(dǎo)電性的致密碳納米顆粒[25]，是常見(jiàn)的導(dǎo)電添加劑。將CB添加到由AC制成的CDI薄膜電極后，可顯著去除含有670、1 000 mg/L NaCl鹽水電解質(zhì)中的鹽，但非常低的比表面積限制了純粹由CB顆粒組成電極的CDI性能。圖2為CDI材料的發(fā)展歷程。
圖2 CDI材料的發(fā)展歷程
Fig.2 Development history of CDI materials
2.2 電吸附數(shù)學(xué)模型
2.2.1經(jīng)典模型
1)緊密層模型(Helmholtz-Perrin模型)
固液相界面電荷分布模型，即Helmholtz-Perrin模型，最早于19世紀(jì)由Helmholtz和Perrin提出[26]。整個(gè)模型類似于一個(gè)平板電容器，一個(gè)平板上帶正電荷，另外一個(gè)平板上帶負(fù)電荷。雙電層模型如圖3所示，其中，qM為固體中的電荷量，qS為液體中的電荷量。
圖3 Helmholtz平板電容器模型示意
Fig.3 Schematic diagram of Helmholtz flat capacitor model
1234以上是小編收集整理的華北電力大學(xué)馬雙忱教授：電吸附技術(shù)在電力行業(yè)廢水處理中的應(yīng)用部分內(nèi)容來(lái)自網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除：153045535@qq.com;
本文地址：http://www.ssjcj8.com/shuichuli/725.html
