电吸附技术在反渗透浓水处理中的应用探究

赵潇然 王弯弯 庞 昊 于海琴 刘政修 郭 强

（1. 北京京能能源技术研究有限责任公司，北京 100022；2. 河北涿州京源热电有限责任公司，河北 涿州 072750；3. 北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044）

0 引言

反渗透技术以成熟、稳定、高效等优势广泛应用于火力发电厂锅炉补给水处理工艺，是全膜法或双膜法工艺的重要组成部分；除此之外，反渗透也是饮用纯水制备、海水淡化、污水深度回用、电子工业高纯水制备等领域的主流技术[1]。

然而反渗透技术在获得除盐水的同时也产生了相当数量的浓废水。基于环保要求及电厂零排放的目的，反渗透浓排水处理成为当前水处理的一项重要内容[2]。目前反渗透浓排水处理处置方式主要有直接排放（地表水或污水处理系统排放、深井注射以及深海排放等）、资源化利用（制盐、元素提取、综合利用等）和直接处理（淡化回用-浓缩减量化），但是各回用或处置技术方法都有其局限性或缺点，以化学或物理化学理论为基础的资源化处置方式很多仍停留在实验室阶段，并没有形成商业化与产业化[3,4]。尤其是浓水反渗透减量化处理，必须解决易结垢的问题。在世界范围的反渗透浓盐水产生量越来越大的前提下，进一步寻找经济、技术可行的新技术也是目前及今后相当长时间内水处理领域研究的重点[5-10]。

电容吸附技术是一种新兴的、环保的脱盐技术，技术上、经济上可行，模块化装置可以灵活设置，并且避免了传统脱盐技术能耗高，材料需要酸碱再生的缺点；电吸附过程中阴阳离子各自向不同电极迁移，累积后没有交集，避免了系统结垢问题，是一种有潜力又期待发展成熟的水处理技术[11-14]。

本文通过现场中试，研究电容膜吸附技术在电厂反渗透浓水回用处理应用的可行性，为电厂反渗透浓盐水处理、回用及资源化利用提供参考，并期望达到降低设备投资、降低运行成本的目的。

1 试验材料及方法

本课题项目所用中试试验装置为采购的商业化电容去离子中试设备。中试装置采用连续进水，连续出水的方式运行。

试验用水为涿州京源热电有限公司锅炉补给水反渗透浓水，试验水质如表1所示。试验过程中主要调节设备操作电流、进水流量和处理时间，在预处理和吸附净化阶段，浓水中的离子和带电粒子被吸附在电吸附模块的电极板上；排污阶段通过改变电流方向，使吸附在电极板上的各种离子和带电粒子被解析排放。中试试验流程如图1所示。

图1 反渗透浓水处理系统

表1 反渗透浓水原水水质

2 试验结果及分析

2.1 出水电导率与操作时间的关系

电吸附装置运行周期为420s，其中预处理时间60s，吸附时间210s，排污再生时间为150s；进水流速控制并稳定在26L/min；操作电流设置为36A，出水电导率与工作时间的关系如图2所示。

图2 出水电导率与时间变化的关系

由图2可以看出，在预处理和吸附净化这两个阶段，出水电导率持续下降，吸附阶段电导率由进水的2130μs/cm降至1000μs/cm左右，处理效果显著；在吸附净化阶段的末段，装置出水电导率达到并保持在最低值附近。排污再生阶段电导率提升迅速，说明电极得到有效再生。

2.2 操作电流对电导率去除率的影响（以Ca2+浓度变化为例）

在预处理时间60S，吸附时间210S，排污再生时间为150S，得水率50%，进水流速控制并稳定在26L/min的前提下，改变操作电流（32A、33A、34A、35A、36A、37A、38A）以考察操作电流对运行效果的影响。设置任一固定操作电流后，保持电吸附装置在此电流下连续运行若干个周期，期间不改变其它操作条件。热网补给水反渗透浓水经电吸附中试装置处理后的出水电导率变化、Ca2+浓度变化分别如图3、图4所示。

由图3可知，热网补给水反渗透浓水经电吸附中试装置处理后的出水电导率随着操作电流的增加而逐渐减少，电导率去除率逐渐增大。操作电流由32A增加至36A时，出水电导率降低速度明显优于操作电流36～38A阶段，说明当操作电流达到一定值后，继续增大操作电流的数值，电导率仍然在下降，但是除盐效果增幅并不明显，没有经济价值；所以工程设备实际运行时需要优化操作电流。

图3 操作电流对处理效果的影响

2.3 进水流速对电导率去除率的影响

改变进水流速（20L/min、22L/min、24L/min、26L/min、28L/min、30L/min），通过试验考察流速对出水水质的影响。操作电流控制并稳定在36A，其它条件不变，试验结果如图4所示。

图4 进水流速对出水水质的影响

通过图4可以看出，热网补给水反渗透浓水经电吸附中试装置处理后的出水电导率随着进水流速的增加而逐渐增大，电导率去除率逐渐减小。在不考虑极板吸附饱和的情况下，电吸附装置对于离子的去除率与进水流速呈反比关系。分析认为，主要是因为进水流速影响水力停留时间所致。所以在工程设备实际运行过程中，需要结合产水量、产水水质的实际需求，优化运行流速，也就是优化单元设备的产水量。

2.4 排污再生时间与出水电导率的关系

实验过程中保持装置的预处理时间（60s）和吸附净化时间（210s）不变，改变再生排污时间（60s、90s、120s、150s、180s），操作电流控制并稳定在36A，，进水流速为26L/min，考察电吸附中试装置的排污再生时间对出水电导率及其去除率的影响。连续运行若干个周期，在吸附净化阶段的最后60s收集水样测定出水电导率。试验结果如图7、8所示。

图5 排污再生时间对出水水质的影响

通过图5可以看出，热网补给水反渗透浓水经电吸附中试装置处理后的出水电导率随着装置排污再生时间的增加而逐渐减小，电导率去除率逐渐增大。电吸附装置排污再生时间越长意味着预处理与吸附净化阶段吸附在极板上的带电粒子被解析得越彻底，因此对下一周期出水电导率的影响就越小。然而排污再生时间越长，电吸附装置的得水率就越低。因此，在实际工程应用中，为保证电吸附技术处理浓盐水的经济性，应在保证浓盐水除盐效果的范围内，合理设置电吸附装置再生排污时间，力求达到经济与效果的平衡。本中试实验为保证处理热网补给水反渗透浓水的得水率不低于50%，综合除盐效果与技术经济性考虑，特选择装置排污再生时间为150s。

3 电吸附装置操作条件对离子吸附优先级的研究

反渗透浓水的主要成分Ca2+、Mg2+、Na+、Cl-、SO42-，在一定操作条件下达到电导率去除效果，但是不同离子对去除率的贡献不同。以主要成分构成为研究对象-阳离子，考察操作电流、进水流速对不同价态阳离子去除率的影响。

操作电流对离子吸附优先级的研究

根据前述研究，设置不同的操作电流（32A、33A、34A、35A、36A、37A、38A），其它操作条件保持不变，研究操作电流对Ca2+、Mg2+、Na+去除率的影响。实验结果如图6所示。

图6 操作电流对钙离子浓度的影响

图7 操作电流对镁离子浓度的影响

图8 操作电流对钠离子浓度影响

图9 各操作电流下阳离子去除率对比

通过图6可以看出，热网补给水反渗透浓水经电吸附中试装置处理后，出水中钙离子浓度随着操作电流的增加而逐渐减少，钙离子去除率逐渐增大。即在一定范围内，操作电流越大热网补给水反渗透浓水中的钙离子数量减小得越多，钙离子去除效果越好。操作电流由32A增加至37A时，钙离子去除效果明显，由81mg/L降至61mg/L。当再次增加操作电流的数值至38A时，出水钙离子浓度不在随操作电流增加而减小。

通过图7可以看出，随着电流的增加，出水中镁离子浓度随电流增加而下降，镁离子去除率上升。即在一定范围内，操作电流越大热网补给水反渗透浓水中的镁离子数量减小得越多，镁离子去除效果越好。操作电流由32A增加至37A时，镁离子去除效果明显，由220mg/L降至185mg/L以下。当再次增加操作电流的数值至38A时，出水镁离子浓度不在随操作电流增加而减小。

通过图8可以看出，钠离子去除效果一般，特别是当操作电流较低时，钠离子去除效果较差。出水中钠离子浓度随着操作电流的增加而逐渐减少，钠离子去除率随操作电流增大而逐渐增大。即在一定范围内，操作电流越大热网补给水反渗透浓水中的钠离子数量减小得越多，钠离子去除效果越好。当操作电流达到38A时，出水中钠离子浓度为182mg/L，钠离子去除率达到37.46%。

图10 出水镁离子浓度与操作电流关系

图11 出水钠离子浓度与操作电流关系

根据基于离子受力分析建立的吸附模型和基于装置电阻变化建立的吸附模型分析来看，在不考虑极板吸附饱和及电解的情况下，两模型中离子去除率与操作电压（流）均呈正比，因此钠离子去除率随着操作电流的增大而增加。“基于离子受力分析建立的吸附模型”认为离子去除率与离子的化合价价态高低同样呈正比，而钠离子为一价阳离子，因此钠离子的去除效果明显劣于二价阳离子。

通过基于离子受力分析建立的吸附模型和基于装置电阻变化建立的吸附模型分析来看，在不考虑极板吸附饱和及电解的情况下，两模型中离子去除率与操作电压（流）均呈正比，同时“基于离子受力分析建立的吸附模型”认为离子去除率与离子的化合价价态高低同样呈正比，因此钙离子（为何只有钙离子，没有镁离子，都是2价阳离子）、镁离子去除效果较好。

4 进水流速对离子优先吸附的影响

保持其它操作条件不变，操作电流控制并稳定在36A，改变进水流速（20L/min、22L/min、24L/min、26L/min、28L/min、30L/min），研究进水流速对Ca2+、Mg2+、Na+去除率的影响。实验结果如图12所示。

图12 各进水流速下阳离子去除率比较

通过图12可以看出，首先电吸附中试装置对热网补给水反渗透浓水中的钙离子去除效果明显。出水中钙离子浓度随着进水流速的减小而逐渐减少，钙离子去除率逐渐增大。即在一定范围内，进水流速越小热网补给水反渗透浓水中的钙离子数量减小得越多，盐水中钙离子去除效果越好。进水流速由20L/min增加至30L/min的过程中，钙离子去除效果明显降低。

通过基于离子受力分析建立的吸附模型和基于装置电阻变化建立的吸附模型分析来看，在不考虑极板吸附饱和情况下，两模型中离子去除率与进水流速均呈反比，流速越大意味着更短的停留时间，同时也可能意味着吸附过程并不完整。同时“基于离子受力分析建立的吸附模型”认为离子去除率与离子的化合价价态高低同样呈正比，因此钙离子去除效果较好。通过图12可以看出，首先电吸附中试装置对热网补给水反渗透浓水中的镁离子去除效果明显。出水中镁离子浓度随着进水流速的减小而逐渐减少，镁离子去除率逐渐增大。即在一定范围内，进水流速越小热网补给水反渗透浓水中的镁离子数量减小得越多，盐水中镁离子去除效果越好。进水流速由20L/min增加至30L/min的过程中，镁离子去除效果明显降低。在所选进水流速梯度中，当进水流速为20L/min时，热网补给水反渗透浓水中的镁离子由236.19mg/L降低至58.76mg/L，去除效果最佳。

通过基于离子受力分析建立的吸附模型和基于装置电阻变化建立的吸附模型分析来看，在不考虑极板吸附饱和情况下，两模型中离子去除率与进水流速均呈反比，流速越大意味着更短的停留时间，同时也可能意味着吸附过程并不完整。同时“基于离子受力分析建立的吸附模型”认为离子去除率与离子的化合价价态高低同样呈正比，因此镁离子去除效果较好。

通过图12可以看出，首先电吸附中试装置对热网补给水反渗透浓水中的钠离子去除效果一般。出水中钠离子浓度随着进水流速的减小而逐渐减少，钠离子去除率逐渐增大。即在一定范围内，进水流速越小热网补给水反渗透浓水中的钠离子数量减小得越多，盐水中钠离子去除效果越好。进水流速由20L/min增加至30L/min的过程中，钠离子去除效果明显降低。在所选进水流速梯度中，当进水流速为20L/min时，热网补给水反渗透浓水中的钠离子由291mg/L降低至145mg/L，去除效果最佳。

通过基于离子受力分析建立的吸附模型和基于装置电阻变化建立的吸附模型分析来看，在不考虑极板吸附饱和情况下，两模型中离子去除率与进水流速均呈反比，流速越大意味着更短的停留时间，同时也可能意味着吸附过程并不完整。“基于离子受力分析建立的吸附模型”认为离子去除率与离子的化合价价态高低同样呈正比，因此较二价阳离子，钠离子去除效果一般。

5 电吸附装置离子吸附优先级讨论

本节内容仍以电吸附中试装置处理热网补给水反渗透浓水实验项目为支撑，以第三章建立的“基于离子受力分析建立的吸附模型”和“基于装置电阻变化建立的吸附模型”为理论依据，探究在相同操作条件（操作电流、进水流速）下，热网补给水反渗透浓水中各主要离子吸附去除的优先顺序。由于在该实验中，热网补给水反渗透浓水所含阳离子种类较多，因此本节主要探究实验用水中Ca2+，Mg2+，Na+吸附的优先情况。

在各操作电流（32A、33A、34A、35A、36A、37A、38A）下，热网补给水反渗透浓水中Ca2+，Mg2+，Na+的去除率如图6～图8所示。在各进水流速（20L/min、22L/min、24L/min、26L/min、28L/min、30L/min）下，热网补给水反渗透浓水中Ca2+，Mg2+，Na+的去除率如图12所示。通过图6、图7、图8、图12可以看到，在相同的操作条件下，Ca2+和Mg2+的去除率总是远远高于Na+的去除率。在“基于离子受力分析建立的吸附模型”中，离子去除率可由式：计算得到。从离子去除率与各参数间的数学关系可以看出，对一个确定的电吸附中试装置，其构造参数不会随着实验的进行而发生改变，因此式中的有关装置构造的参数不会发生变化。对于两个操作参数（操作电压与流速），当控制中试装置操作条件不变时，式中的电压U与流速V亦不会发生改变。因此，决定同电性离子吸附的优先级取决于式中的n，即离子的化合价（离子的带电量）。在热网补给水反渗透浓水中，Ca2+和Mg2+的带电量为2个单位，Na+的带电量为1个单位。在“基于离子受力分析建立的吸附模型”中，离子所受电场力F可用式：来进行计算。因此，可以认为：在电吸附装置的两极板间，Ca2+和Mg2+所受到的吸引力更强，在垂直于极板方向上的加速度更大，与极板距离相同的Ca2+、Mg2+、Na+，Ca2+和Mg2+迁移至极板表面并完成吸附的速度要快于Na+，因此，在电吸附中试装置中，Ca2+和Mg2+吸附优先级优于Na+。该模型中，高价态离子的吸附优先级高于低价态离子。而电吸附中试装置在实际工作中，会因电极材料达到吸附饱和而不能继续吸附其他离子，这时吸附优先级较低的离子可能会因极板上的涂覆材料无法储存更多的离子而无法被吸附去除。在此中试实验中，Cl-同样是一价离子，但因高价态离子与其竞争的份额较小，因此去除效果仍较好。

6 结语

（1）利用电吸附中试装置对热网补给水反渗透浓水以连续进水、连续出水的方式进行脱盐处理，在预处理时间60s，吸附时间210s，排污再生时间为150s，进水流速26L/min，操作电流36A的条件下，连续工作电吸附中试装置出水电导率稳定；

（2）研究结果表明，出水电导率随操作电流的增大逐渐减小；在操作电流为38A时电导率由原水的2130μs/cm减小到1037μs/cm，电导去除率达到51.3%；保持操作电流不变，出水电导率随进水流速的增大逐渐增大，在进水流速为20L/min时，电导率由原水的2130μs/cm减小到1267μs/cm，电导去除率40.5%；

（3）在相同条件下，钙离子、镁离子和氯离子去除效果较好，钠离子去除效果一般，电吸附装置对同电性离子的吸附时优先吸附价态高的离子；

（4）反渗透浓水采用电吸附技术进行回用，可降低采用二级反渗透处理结垢风险并降低设备投资及运行成本；

（5）电容膜吸附装置处理主机循环水耗电量在5.0kw·h/t左右，运行成本不高于2.0元/t。