活性炭纤维电极的电吸附除盐研究

张继卫，常海洲，伊 涵

（上海理工大学 理学院，上海 200093）

近年来，水资源日益匮乏，该问题已经成为世界范围内比较关注的问题，由于环境污染和人口增长加速，越来越多的地区出现了工业废水的污染[1-3]。对于废水的处理，可以通过常规工艺去除其中的有机质和细菌，但是对于废水中的无机离子，就需要对其进行除盐处理，除盐过程是水质深度处理的一个关键步骤，利用除盐工艺可以去除回收水中的Na+、Ca2+、Cl-、Mg2+等大量无机离子[4]，可以实现化工制药、轻工技术等工业的用水处理，同时在循环水、饮用水净化方面也得到了研究[5-7]。目前有很多传统的处理淡化水的方法，如蒸馏、反渗透、电渗析等，然而这些方法都有种种缺点，如耗能高、产出低、设备繁琐等[8]。

电吸附技术是一种新型的除盐技术，在通电条件下，水中的带电粒子被吸附在带电电极表面，从而实现对离子的去除。该技术效果好、无二次污染、成本低[9-11]。电极材料是电吸附技术的关键，目前活性炭、活性炭纤维、碳纳米管、炭气凝胶在国内外已经有所研究，然而后两者处于研究阶段，方法不完善，难以得到大规模应用[12-14]。活性炭纤维原料丰富且廉价，比表面积高，制成成品后，可以得到ACF 纸、ACF 布，这就保证了可以以更大的面积接触溶液的离子，相比传统的活性炭具更好的应用前景[15-16]。

本文通过选用高比表面积的新型吸附材料活性炭纤维（ACF）作为电极材料，选取不易电解、导电性好的石墨片作为极板，自制电极和电吸附装置，采用较高面积的吸附材料对NaCl 溶液进行电吸附研究。考察了电压、板间距、板面积对吸附效果的影响，选择最优的实验参数处理不同浓度的溶液，同时进行了电吸附的脱附研究。

1 实验

1.1 试剂与材料

试剂：氯化钠（国药集团化学试剂有限公司）、去离子水。

材料：活性炭纤维（SIF-1800，江苏苏通碳纤维有限公司），石墨片（北京晶龙特碳）。

1.2 实验仪器

直流稳定电源（MT152D），蠕动泵，干燥箱，扫描电镜（VEGA3 TESCAN），比表面积及孔径分析仪（麦克ASAP2460）

1.3 活性炭纤维电极的制备

将事先裁剪好的ACF（10 cm×10 cm）加入去离子水中，先浸泡、洗涤。之后换水煮沸3 小时，冷却室温后取出，拧干后放入110℃的干燥箱中烘24 小时，取出后放入干燥皿中备用。

对石墨片进行处理，洗净表面，放入烘箱进行干燥，之后将预处理好的ACF 平铺在石墨片上，用导电胶对两者进行粘结，压实、干燥备用。

1.4 电吸附装置

电吸附装置采用有机玻璃容器，长12 cm，高12 cm，宽2 cm。取两块制备好的复合电极，固定在有机玻璃容器中，调整实验装置参数，接入蠕动泵，两块复合电极外加电源通电，即可进行电吸附的过程。

1.5 实验方法

通过配置不同浓度的NaCl 溶液，拟合出溶液的电导率与浓度的曲线：y＝1.878 9 x＋37.207 79，R2＝0.999 52，拟合效果好，说明浓度大小与电导率是正相关的。

配置一定浓度的NaCl 溶液，测定其电导率，将配好的模拟液加入到搭建好的电吸附装置中，调整好一定的实验参数，打开电源开启电吸附过程，从通电开始每十分钟用泵抽取液体取样，用电导率仪测定其电导率。去除率的计算方法如式（1）所示。

2 结果与讨论

2.1 扫描电镜（SEM）分析

利用扫描电镜来观察ACF 的形貌结构，从图1 中可以看出，活性炭纤维结构较密，呈现出线条状，纤维之间相互交错，且有着发达的间隙结构，这使得其拥有较好的吸附效果，将有利于吸附溶液中的离子。

图1 活性炭纤维的SEM 图

2.2 比表面积及孔径分布分析

比表面积和孔结构也是反应材料吸附性能的一个重要因素。表1 为电极的比表面积BET 测试的相应数据，从表1 中可以看出，ACF 的比表面积很高，已经达到了1 534.43 m2/g，BJH 吸附累计孔容为0.18 mL/g，BJH 吸附平均孔径为1.25 nm。可以看出ACF 具有很高的吸附接触面积，这将有利于电吸附。

表1 ACF 电极的比表面积表征数据

2.3 电压对电吸附效果的影响

图2 是不同电压下电吸附的效果对比，设置了四种不同的电压（0 V、0.8 V、1.0 V、1.2 V），配置的溶液为50 mg/L 的NaCl 溶液，进行60 min 的吸附过程，当电压为开路电压（0 V）时，吸附效果很差，但因为ACF 自身具有较高的比表面积，所以电导率也略有下降。随着电压的增大，吸附效果有所增加，去除率也增加。当电压达到1.2 V 时，去除率为61.54%。这是因为随着电压增加，两板间的电场强度增强，对水中的离子有着更强的吸附，使得去除率升高。

图2 不同电压下的电吸附效果

图3 不同板间距下的电吸附效果

2.4 板间距对电吸附效果的影响

图3 为不同板间距下的吸附效果，溶液浓度为50 mg/L，通过设置三种不同的板间距（2 mm、3 mm、4 mm），产生了不同的吸附效果，当板间距为3 mm 时，去除率最高。然而当板间距为2 mm 时吸附效果并不及3 mm，这说明板间距并非越小越好。因为板间距太小时，会导致水流不畅，不利于产水的排出，甚至会产生短路。当板间距太大时，电场相互作用减弱，同时加大了离子在两板间移动的距离，增大了吸附完成的时间，这样不利于提升吸附的效果。

2.5 板面积对电吸附效果的影响

图4 为不同板面积下的电吸附效果，溶液浓度为50 mg/L，设置了三种不同大小的板面积，板面积分别为50 cm2、75 cm2、100 cm2。从图中可以看出，随着板面积的增大，吸附效果有所提高，去除率分别为47.11%、52.88%、61.54%。这是因为板面积的增大提高了电吸附的面积，更有利于电吸附过程。但是过大的板面积也会增大实验材料的消耗，经济效益低，所以板面积也不能太大。

图4 不同板面积下的吸附效果

图5 不同浓度的盐溶液的电吸附除盐效果

2.6 对不同浓度盐溶液的电吸附脱盐研究

图5 为不同浓度的NaCl 溶液的电吸附除盐效果，设置三种浓度的盐溶液，分别为300 mg/L、400 mg/L、500 mg/L。通过实验可以看出，电吸附对高浓度盐溶液也有一定的除盐效果，浓度越高去除效果越低，三种浓度下的去除率分别为50.33%、43.49%、30.09%。这是因为浓度越高，电吸附越容易饱和，当达到饱和后，电吸附的过程将减弱。

2.7 电吸附的脱附效果研究

图6 为电吸附的脱附过程，选取的为500 mg/L 的NaCl 溶液，当吸附过程进行到60 min 时，将电源的正负极互换或短接，进行脱附过程，从图6 可以看出，脱附过程大约为50 min，且脱附效果较好，当脱附进行50 min 后，电导率达到了966 μS/cm，脱附率为95.64%。这也证明了电吸附具有良好的再生效果，可以二次再利用。

图6 电吸附过程的脱附

3 结论

实验表明，活性炭纤维具有较大的比表面积，本身也具备一定的吸附效果，ACF 电极的电吸附过程受电压、板间距、板面积的影响。随着外加电压的提高，吸附效果会增强。板间距适当的减小，板面积的适当增大都会提高电吸附的效果。通过使用ACF 作为电极电吸附处理盐溶液可以达到较好的脱盐效果，在电压为1.2 V、板间距3 mm、板面积100 cm2的最优实验条件下，对NaCl 溶液的除盐率为61.54%。同时，电吸附过程具有可脱附二次使用的特点。