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活性炭纤维覆膜电极高电压电吸附处理含盐废水

价值中国
2015-11-16
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        关键字:絮凝剂 破乳剂 药剂 重金属捕捉剂 COD去除剂
        随着经济的快速发展,水资源短缺已成为全球面临的一个严峻挑战〔1〕,因此,如何对废水如中水、生化尾水、循环冷却水等进行除盐处理实现回用,受到人们的广泛关注。在传统的废水除盐方法中,蒸馏法能耗高〔2〕,离子交换法会产生二次污染〔3〕,电渗析、反渗透处理技术则投资大且维护繁琐〔4, 5, 6〕,不能满足废水回用处理的需求。在新型除盐技术中,电吸附除盐被认为是一种具有广阔应用前景的新技术〔7〕。电吸附除盐技术是在电极表面施加一定的电压,带电离子在电场力的作用下,向反向电极移动并吸附在电极上,从而达到除盐的目的〔8, 9, 10〕。该处理技术具有设备投资少、无二次污染、节能等优点〔11〕。电吸附除盐技术由于电极与废水直接接触,在电极间存在电流,且受水电解电压的限制,两极的电压通常在1~2 V之间较适宜,较低的电压会制约除盐效率,导致淡水出水率低,能耗高;同时,电极的使用寿命短,需使用特殊材质。

  本研究针对电吸附除盐技术存在的问题,采用涂覆技术在活性炭纤维电极表面涂覆一层高分子有机绝缘层,绝缘处理后的电极不直接与含盐废水接触,电极间不存在电流,不仅可降低对电极材质的要求,提高其使用寿命,同时可克服水电解电压的限制,使电吸附除盐在更高的电压下操作,从而提高除盐效果,降低能耗。

  1 实验部分

  1.1 试剂和仪器

  试剂:氯化钠,AR,汕头市西陇化工股份有限公司;活性炭纤维,上海索斐亚环保科技有限公司。

  仪器:FE30型电导率仪,梅特勒-托利多仪器有限公司;BT00-100M恒流泵,保定兰格恒流泵有限公司;BSA124S电子天平,赛多利斯科学仪器有限公司;DF1761SL3A直流电源供应器,中策电子有限公司;XT5118-OV50电热鼓风干燥箱,杭州雪中炭恒温科技有限公司;DK-98-11电子万用炉,天津市泰斯特仪器有限公司。

  1.2 活性炭纤维电极的预处理和绝缘涂覆

  将剪成大小适宜方块的活性炭纤维放入去离子水中煮沸2 h,取出,放入烘箱中于120 ℃下干燥24 h,以去除其水溶性物质和挥发性物质。

  将2片烘干的活性炭纤维块电极放入涂覆槽中,加入自制的高分子聚合物有机溶剂,将2片电极在60 V电压下涂覆45 s,取出,放入马弗炉内升温至150 ℃,并保持30 min,自然冷却。

  1.3 实验方法

  将有效面积为3.0 cm×7.2 cm的电极放入自制的除盐装置中,2片电极间距为11 mm,涂覆有机膜的活性炭纤维电极接正极,预处理后的活性炭纤维电极接负极。配制的氯化钠模拟废水通过恒流泵流入除盐装置,关闭恒流泵,调节电压,处理一定时间后出水。

  图 1为25 ℃下NaCl溶液电导率随溶液浓度的变化趋势。

  

 

  图 1 25 ℃下NaCl溶液电导率随溶液浓度的变化趋势

  由图 1可知,NaCl溶液电导率与溶液中离子的浓度呈较好的线性关系,即溶液电导率的变化可间接反映溶液中NaCl浓度的变化。因此,可通过溶液电导率的变化来评价除盐的效果。由图 1拟合得出25 ℃下溶液电导率与溶液浓度的关系式:

  

 

  2 结果与讨论

  2.1 外加电压对除盐效果的影响

  外加电场的大小是决定电吸附除盐效果的关键因素之一。根据双电层理论,在不发生电化学反应的情况下,双电层具有电容的特性,对其进行充放电,水中的粒子将会富集在电极-溶液界面〔12〕。在传统的电容吸附除盐中,电压并不是越高越好,过高的电压会导致水解的发生。理想情况下,水的标准电极电位为1.229 V,有文献报道〔13〕,当电压超过1.6 V时,溶液就会发生水解现象,这严重制约了电除盐效率和应用。本研究通过对电极表面的改性,实现了在更高电极电压下进行电吸附除盐,有利于除盐效率的提高。

  实验配制300 mg/L的NaCl溶液,在25 ℃下分别施加不同的外加电压30 min,考察外加电压对除盐效果的影响,结果如图 2所示。

  

 

  图 2 外加电压对除盐效果的影响

  由图 2可知,随着外加电压的增大,电导率呈现先下降后缓慢上升的变化趋势。当电压从10 V提高到17.5 V时,电导率快速下降;当电压从17.5 V提高到22.5 V时,电导率变化不大,在电压为22.5 V时,电导率去除率最大,为83.5%,此时吸附除盐量为0.273 mg/cm2;当电压从22.5 V增加到30 V时,电导率略有上升。实验结果表明,在电压为10~ 17.5 V的范围内,电压的作用明显,提高电压加快了溶液中离子向电极表面的迁移和富集,使得溶液主体中的离子浓度迅速下降,溶液电导率下降明显;在电压为17.5~22.5 V的范围内,电极表面离子吸附基本达到饱和,吸附和脱附过程处于动态平衡,因此电导率变化不明显;继续提高电压,溶液中出现少许微小气泡,说明此时溶液出现了一定程度的电解,导致溶液电导率略有上升。可见,在不发生水解和吸附未达饱和的前提下,提高电压有助于大幅提高溶液中NaCl的去除效率,因此确定最佳的电压为20 V。

  2.2 吸附时间对除盐效果的影响

  在电容吸附除盐中,吸附时间的长短不仅会影响除盐能耗,也会影响电极寿命。配制300 mg/L的NaCl溶液,在温度为25 ℃,外加电压为20 V的条件下,考察了吸附时间对除盐效果的影响,结果如图 3所示。

  

 

  图 3 吸附时间对除盐效果的影响

  由图 3可知,在吸附时间为0~10 min时,随着吸附时间的增加,电导率略有下降,表明在此时间段,电极表面吸附的离子较少,溶液主体中离子浓度下降较小;在吸附时间为10~25 min时,随着吸附时间的增加,电导率急剧下降,说明溶液中有大量离子被吸附到电极的表面,使得溶液主体中离子浓度出现了明显的下降;在吸附时间为25~45 min时,随着吸附时间的增加,溶液电导率变化不大,表明此时电极吸附已达到平衡;继续延长吸附时间,电导率却缓慢上升,说明吸附时间过长,电极表面吸附的离子可能有少量脱附,重新返回到溶液主体中,从而使溶液主体的电导率缓慢上升。确定25~40 min为最佳吸附时间段。

  2.3 进水NaCl浓度对除盐效果的影响

  在电吸附过程中,施加电压产生的电荷分布在电极表面,在正负电极间产生电场,在电场力的作用下,溶液中的离子向相反电荷电极的表面迁移,电场力越强,离子迁移得越快,电极表面电荷密度越大,电极表面富集的相反电荷的离子越多;当富集的离子电荷数与电极表面分布的相反电荷数接近时,电极吸附趋近饱和,此时电极吸附处于动态平衡,因此在相同的吸附时间下,电极吸附的离子电荷数与溶液中离子浓度有关。在温度为25 ℃,外加电压为10、15、20 V,吸附时间为40 min的条件下,考察了进水NaCl浓度对除盐效果的影响,结果如图 4所示。

  

 

  图 4 进水NaCl浓度对除盐效果的影响

  由图 4可以看出,当进水NaCl浓度较低时,不同电压下的溶液电导率相差不大且很小,电导率去除率均较高,其中对100 mg/L到300 mg/L的NaCl溶液,当电压为15 V和20 V时,溶液电导率去除率相差不大,均可达80%以上,最高可达91%;而当电压为10 V时,电导率去除率明显偏低。表明在低NaCl浓度下,随着电压的增加,溶液主体中的离子向电极表面的迁移增多,但当电极施加电压达到一定程度后,溶液电导率已很小,即溶液主体离子浓度很小,此时溶液主体中绝大部分离子已迁移到电极的表面,再增加电压,由于溶液主体中离子迁移数较少,因而溶液电导率和电导率去除率变化不明显。随着进水NaCl浓度的增加,不同外加电压下溶液的电导率明显增加,电导率去除率快速下降;但在高电压下,溶液电导率升高相对缓慢,且电导率去除率相对较高,在进水NaCl质量浓度为1 000 mg/L时,电导率去除率仍接近50%。

  溶液离子浓度的增加虽然使得溶液电导率去除率显著降低,但电极单位面积对离子的绝对吸附量却明显增加,如图 5所示。

  

 

  图 5 不同电压下电极单位面积除盐量与溶液浓度的关系

  图 5表明,电压越高,电极单位面积吸附离子的绝对量越大,表明高电压有助于提高电极吸附绝对量,更适用于高浓度含盐废水的处理。

  2.4 吸附等温线拟合

  为探究溶液中离子在电极表面的吸附行为,采用Langmuir和Freundlich吸附等温线模型,对在不同电压下对不同浓度的NaCl溶液处理40 min后所得的吸附量曲线进行拟合,结果如表 1所示。

  

 

  由表 1可知,当电压为10 V时,Langmuir模型的拟合效果较好,溶液中离子在电极上倾向于单分子层吸附;当电压为20 V时,Freundlich模型的拟合效果更好,溶液中离子在电极上呈现出多层吸附的趋势,说明电压越高,离子越能在电极表面呈现多层吸附,而吸附层数越多,吸附量越大,除盐效果越好。拟合结果表明,在高电压除盐中,多层吸附的Freundlich模型更加适用;随着电压的增大,电极吸附容量增加的速度加快,吸附容量也随之增大。总之,提高电压有利于溶液中盐的去除。

  3 结论

  (1)采用有机膜涂覆的活性炭纤维作电极,可明显提高电吸附的操作电压,在电压提高到30 V时,仍具有较好的除盐效果。在不发生水解情况下,最佳电压为20 V。

  (2)当进水NaCl质量浓度为300 mg/L,外加电压为20 V时,25~40 min为最佳吸附时间段。

  (3)对于低浓度NaCl溶液(<300 mg/L),当外加电压为15、20 V时,溶液电导率去除率可达80%以上,最大可达91%。随着溶液浓度的增加,电导率去除率下降明显,但电极的绝对吸附量却显著增大。

  (4)在低电压 (<10 V) 时,吸附更倾向于单分子层吸附;高电压时,吸附更加符合多分子层吸附;并且随着电压的增大,电极吸附容量增加的速度和吸附容量增大。

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