高电压电容吸附法处理模拟含盐废水

齐 菲，刘舒华，徐炎华，赵贤广

（南京工业大学 环境学院，江苏 南京 210009）

目前，我国含盐废水产生量逐年增加，来源也更为广泛，涉及印染、农药、化工生产、石油和天然气开采、食品加工等行业［1］。这些含盐废水中常含有大量有机物，如直接采用生物法进行处理，盐类物质会进入生化过程，对微生物产生抑制作用，影响生化处理效果，导致出水难以达标排放。目前，工业上常用加水稀释、蒸馏、电吸附、离子交换、超滤和反渗透等方法对含盐废水进行预处理，处理后的废水能够进行后续常规生化处理。但加水稀释造成了净水资源的浪费，蒸发除盐过程中会产生大量危险废物，电吸附装置复杂且运行操作不便，超滤和反渗透存在膜污染等问题［2］。因此，寻求更加经济高效的除盐方法成为研究的热点。

近年来，一种新兴的除盐技术——电容吸附除盐法得到很大发展。它具有以下优点：产水率高、能耗低［3］；除盐性能良好；生产过程绿色无污染，对进水水质要求不高，再生时不消耗药品；电极间距宽，不易堵塞［4］。该技术目前在工程上主要用于废水深度处理和回用。但电容吸附法采用电极直接与溶液接触的方式，外加电压不得超过1.6 V，否则溶液中会产生电流，发生电解反应而增加能耗，而且还会对电极造成损耗。

本工作针对电容吸附法的缺点，采用绝缘电极代替传统电极，通过电极的绝缘处理，使电极不与溶液直接接触，并能够在高电压下直接运行。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

NaCl：分析纯，以NaCl溶液模拟含盐废水。

GPS-2303C型直流电源供应器：上海宇醇电子科技有限公司；DDS-11C型电导率仪：上海三信仪表厂。

1.2 实验原理

在电化学体系中，在电极与溶液的交界处由于固液两相的化学势不同而存在双电层。双电层具有电容的特性，可充电或放电。因此对电极施加电压时，在不发生电化学反应的情况下，水中离子将会富集在电极-溶液界面［5-6］，即充电过程。当模拟废水进入阴阳电极之间的通道中，废水中离子或带电粒子在电场力作用下朝电荷相反的电极一端移动，并吸附在电极表面的双电层中，从而获得净化或淡化后的出水。当电极-溶液界面达到饱和或者去除电压时，被双电层所吸附的离子会释放到溶液中产生浓盐水［7］。这样双电层在放电过程中得以再生，废水在这种充放电过程中实现了除盐及净化。

1.3 实验装置及方法

实验装置见图1。电极材料为石墨或不锈钢，表面采用有机高分子薄膜包裹进行绝缘处理。电极板尺寸为55 mm×80 mm，极板间距为2 cm。过水通道与电极间用阴/阳离子膜相隔，离子膜与电极板之间留有空间，在吸附过程中可在电极附近形成静止液层，使电极附近的离子吸附层不受流体流动产生的影响，保证更稳定的除盐效果。配置不同浓度的模拟废水，由蠕动泵送入反应器内，电极接入外加直流稳压电源，进行吸附脱盐反应。吸附饱和后去除电压，放电反冲洗，将处理后的浓盐水排出。

图1 实验装置

1.4 分析方法

采用电导率仪测定模拟废水电导率，按照式（1）计算模拟废水中的NaCl质量浓度。

式中：к为电导率，S/m；ρ为NaCl质量浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 外加电压对出水电导率的影响

在一定的极板间距下，电压越大，则两极板间电场强度越大，对离子的吸引力也越大，因此对NaCl的脱除效果越好。但已报道的电容吸附法，由于电极与溶液直接接触，外加电压不能太高［8-11］。刘海静等［12］的研究结果表明，当外加电压超过1.6 V时水中就会出现小气泡，即发生了水的电解。水解过程会改变溶液pH，对电极造成损害。

本工作通过静态实验（废水流速为0）研究不同外加电压下的除盐效果。在NaCl质量浓度为500 mg/L、反应温度为25 ℃的条件下，外加电压对出水电导率的影响见图2。

图2 外加电压对出水电导率的影响

由图2可见，反应时间越长，出水电导率越低；当外加电压为60 V时，处理150 min后出水电导率为82.7 μS/cm，出水NaCl质量浓度约为40 mg/L，去除率达90.0%以上；在相同反应时间条件下，外加电压越大，出水电导率越低。因此，可通过增大电压来提高脱盐效果。当外加电压提高至60 V时，仍没有水的电解现象产生，电极未发生腐蚀。

2.2 废水流速对出水电导率的影响

在NaCl质量浓度为80 mg/L、外加电压为60 V、反应温度为25 ℃的条件下，废水流速对出水电导率的影响见图3。由图3可见，随废水流速的增大，电导率逐渐升高。废水流速越大，在反应器内的停留时间越短，而在一定的电压条件下，离子到达电极表面的时间不变，因此，停留时间的缩短导致大部分离子未被吸附就流出反应器，降低了废水处理效果。

图3 废水流速对出水电导率的影响

2.3 反应温度对出水电导率的影响

在NaCl质量浓度为80 mg/L、外加电压为60 V、废水流速为36 m/s的条件下，反应温度对出水电导率的影响见图4。由图4可见，不同反应温度下的出水电导率相差不大，说明温度对脱盐效果的影响不大。因为当温度升高时，离子更加活跃，有利于离子向电极扩散，但同时离子也易于从电极表面脱离重回溶液中，两种作用相互抵消，导致温度对出水电导率的影响不明显。

图4 反应温度对出水电导率的影响

2.4 NaCl质量浓度对出水电导率的影响

在外加电压为60 V、反应温度为25 ℃、废水流速为36 m/s的条件下，NaCl质量浓度对出水电导率的影响见图5。由图5可见：在相同反应时间条件下，进水NaCl质量浓度越低，出水电导率越低，即出水NaCl质量浓度越低；随反应时间的延长，出水电导率先降低后升高，当反应时间为30 min时电导率最低。

图5 NaCl质量浓度对出水电导率的影响

废水经多级电容吸附除盐法处理后会达到更好的除盐效果。在NaCl质量浓度为80 mg/L、外加电压为60 V、反应温度为25 ℃、废水流速为36 m/s的条件下，一级处理和二级处理的除盐效果比较见图6。由图6可见：二级处理的除盐效果明显优于一级处理；相同反应时间内，二级处理后的出水电导率更低；当反应时间为30 min时，一级处理和二级处理的出水电导率分别为82.4 μS/cm和33.8 μS/cm。一级处理和二级处理的出水NaCl质量浓度分别为39 mg/L和16 mg/L，NaCl去除率分别为51.3%和80.0%。因此对于处理水量较大的废水时可采用多级装置连续运行。

图6 一级处理和二级处理的除盐效果比较

3 结论

a）通过对电极进行绝缘处理，采用高电压电容吸附法处理含盐废水。外加电压的增大有利于除盐效率的提高；外加电压为60 V时，NaCl去除率可达90.0%以上。

b）增大废水流速对吸附效果不利，反应温度对处理效果影响不大。

c）采用多级电容吸附除盐法处理废水会达到更好的除盐效果。在NaCl质量浓度为80 mg/L、外加电压为60 V、反应温度为25 ℃、废水流速为36 m/s、反应时间为30 min的条件下，经一级处理和二级处理后出水的NaCl质量浓度分别为39 mg/L和16 mg/L，NaCl去除率分别为51.3%和80.0%。

［1］ 晁雷，邵雪，胡成，等. 高盐废水处理工艺技术研究进展［J］ .安徽农业科学，2011，39（31）：19387 -19389，10404.

［2］ 赵雪娜，倪文，林庚，等. 电吸附技术在含盐水除盐中的应用与研究进展［J］. 工业水处理，2008，28（3）：5-8.

［3］ 许春玲，张小勇. 电容吸附法脱盐技术研究进展［J］.广州化工，2011，39（12）：17-19.

［4］ 代凯，朱光平，Graham Dawson，等. 液流式电容法脱盐性能的研究进展［J］. 材料导报， 2011，25（7）：44-47.

［5］ Arndd B B. Studies on the electrochemistry of carbon and chemically modified carbon surfaces［J］. J Phys Chem，1961，65：135-138.

［6］ Johnson. The electrosorb process for desalting water［R］. US： Report No.516 Off i ce of Saline，1968.

［7］ 尹广军，陈福明. 电容去离子研究进展［J］. 水处理技术，2003，29（2）：63-65.

［8］ 查振林. 磁场-电场协同吸附去除水中离子的研究［D］.武汉： 武汉理工大学资源与环境工程学院，2005.

［9］ Adolf Kisza. The capacitance of the electric double layer of electrodesin moltensalts［J］. J Electroanal Chem，2002，534（2）：99-106.

［10］ 赵亭月，张凌晓，张爱民. 电吸附技术在水处理中的应用［J］. 山东水利，2003（2）：35-36.

［11］ 孙晓慰，朱国富. 电吸附水处理技术的原理及构成［J］. 工业用水与废水，2002，33（4）：18-20.

［12］ 刘海静，张鸿涛，孙晓慰. 电吸附法去除地下水中离子的试验研究［J］. 中国给水排水，2003，19（11）：36-38.