活性炭纤维覆膜电极高电压电吸附处理含盐废水

Posted 2023-01-13 溶液

篇首语：读书也像开矿一样“沙里淘金”本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了活性炭纤维覆膜电极高电压电吸附处理含盐废水相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

　　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。