高濃度反滲透濃水循環(huán)利用設(shè)備

一、電吸附除鹽技術(shù)原理

電吸附除鹽技術(shù)（Electrosorb Technology），簡(jiǎn)稱（EST），又稱電容性除鹽技術(shù)（Capacitive Deionization/Desalination Technology）。

水處理中的鹽類大多是以離子（帶正電或負(fù)電）的狀態(tài)存在。電吸附除鹽技術(shù)的基本思想就是通過(guò)施加外加電壓形成靜電場(chǎng)，強(qiáng)制離子向帶有相反電荷的電極處移動(dòng)，使離子在雙電層內(nèi)富集，大大降低溶液本體濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水溶液的除鹽。

電吸附原理見(jiàn)圖2，原水從一端進(jìn)入由兩電極板相隔而成的空間，從另一端流出。原水在陰、陽(yáng)極之間流動(dòng)時(shí)受到電場(chǎng)的作用，水中離子分別向帶相反電荷的電極遷移，被該電極吸附并儲(chǔ)存在雙電層內(nèi)。隨著電極吸附離子的增多，離子在電極表面富集濃縮，終實(shí)現(xiàn)與水的分離，獲得凈化/淡化的產(chǎn)品水。

圖2　電吸附基本工作原理示意圖

當(dāng)含有一定量鹽類的原水經(jīng)過(guò)由高功能電極材料組成的電吸附模塊時(shí)，離子在直流電場(chǎng)的作用下被儲(chǔ)存在電極表面的雙電層中，直至電極達(dá)到飽和。此時(shí)，將直流電源去掉，并將正負(fù)電極短接，由于直流電場(chǎng)的消失，儲(chǔ)存在雙電層中的離子又重新回到通道中，隨水流排出，電極也由此得到再生。在電吸附過(guò)程中，電量的儲(chǔ)存/釋放是通過(guò)離子的吸/脫附而不是化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，故而能快速充放電，而且由于在充放電時(shí)僅產(chǎn)生離子的吸/脫附，電極結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變化，所以其充放電次數(shù)在原理上沒(méi)有限制。另外，在短時(shí)間內(nèi)過(guò)電壓一般不會(huì)對(duì)裝置產(chǎn)生不良影響。溫度對(duì)離子的吸脫附速度影響不是很大，故其容量變化也相對(duì)小得多。見(jiàn)下圖3再生過(guò)程示意圖

圖3再生過(guò)程示意圖

根據(jù)Gouy-Chapman-Stern模型，在一個(gè)理想的等價(jià)離子電解質(zhì)溶液雙電層系統(tǒng)中，電極表面電荷量與電極電位、離子濃度、溫度等參數(shù)之間有如下關(guān)系式：

q^M=+(8RTε)^1/2(C_b)^1/2sinh(zFΦ₂/2RT)                                            （3-1）

其中：q

^M為電極表面電荷量，ε為溶液介電常數(shù)，C_b為溶液離子濃度，z為離子電荷數(shù)，Φ₂為擴(kuò)散層電勢(shì)差，R為氣體常數(shù)，T為溫度。

從（3-1）式可以看出，雙電層內(nèi)可集聚的離子數(shù)量與離子的濃度和在電極上所施加的電勢(shì)密切相關(guān)。當(dāng)體系的溫度、電勢(shì)為一定時(shí)，（3-1）式可簡(jiǎn)化為：

q^M=k(C_b)^1/2                                                                                    （3-2）

如果假設(shè)電極電荷密度與電極表面所集聚的離子量成正比，則有

S=K(C

_b)^1/2                                                                                     （3-3）

其中S為雙電層內(nèi)離子的集聚密度，也即離子吸附量。

從（3-3）式可以看出，在等溫等電勢(shì)條件下，電極對(duì)離子的電吸附量與溶液離子濃度平方根成正比關(guān)系，與Frundlich吸附等溫線相似。當(dāng)電極表面電位達(dá)到一定值時(shí)，雙電層離子濃度可達(dá)溶液體相濃度的成百上千倍。當(dāng)含有一定量鹽類的原水經(jīng)過(guò)由高功能電極材料組成的電吸附模塊時(shí)，離子在直流電場(chǎng)的作用下被儲(chǔ)存在電極表面的雙電層中，直至電極達(dá)到飽和。此時(shí)，將直流電源去掉，并將正負(fù)電極短接，由于直流電場(chǎng)的消失，儲(chǔ)存在雙電層中的離子又重新回到通道中，隨水流排出，電極也由此得到再生。

電吸附模塊處理效果的好壞主要取決于電極的吸附性能。通常，對(duì)材料吸附能力的描述是用等電勢(shì)吸附等溫線來(lái)進(jìn)行描述的，而對(duì)電吸附來(lái)說(shuō)，除了要考慮到溫度的影響外，還必須考慮電極電勢(shì)的影響。因此，本技術(shù)的研究是從通過(guò)測(cè)定等電勢(shì)吸附等溫線，了解掌握電極材料的電吸附性能著手。

圖4示出電極材料對(duì)氯化鈉的等電勢(shì)吸附等溫線。實(shí)驗(yàn)條件為溫度25℃，電極電壓1.0V。通過(guò)對(duì)曲線的回歸計(jì)算，得出吸附量與平衡濃度的關(guān)系，如（3-4）式所示，吸附量與平衡濃度呈平方根關(guān)系，符合上述雙電層理論計(jì)算式的預(yù)測(cè)。

                                                                                       （3-4）

式中：m

_ad—每克電極材料的吸附量，mg/g；

C—氯化鈉溶液的平衡濃度，mg/L。

圖4 氯化鈉在電極材料上的等電勢(shì)吸附等溫線

由于電吸附過(guò)程主要利用電場(chǎng)力的作用將陰、陽(yáng)離子分別吸附到不同的電極表面形成雙電層，這會(huì)使同一極面上的難溶鹽離子濃度積相對(duì)低得多，可有效防止難溶鹽結(jié)垢現(xiàn)象的發(fā)生。其次，電吸附極板間水徑流與極板呈切線方向，不利于水中析出難溶鹽結(jié)晶在極板上的生長(zhǎng)。電吸附可以在濃水難溶鹽過(guò)飽和狀態(tài)下運(yùn)行。另外，在電吸附模塊中，由于電吸附過(guò)程中陰、陽(yáng)離子吸附不平衡導(dǎo)致產(chǎn)生氫離子含量較多的出水，通過(guò)倒極的方式，略偏酸性的出水同樣會(huì)使有微量結(jié)垢現(xiàn)象的垢體溶解掉。

二、電吸附的工藝流程

工藝流程分為三個(gè)步驟：工作流程，再生流程和排污流程。

工作過(guò)程：原水貯藏在原水池中，與此同時(shí)酸溶液也通過(guò)計(jì)量泵同步連續(xù)地加入原水池，經(jīng)過(guò)曝氣后原水通過(guò)提升泵被提升進(jìn)入精密過(guò)濾器，大于10μm的殘留固體懸浮物在此道工序被截流，水再被送入電吸附（EST）模塊A。水中溶解性的鹽類被吸附，水得到除鹽凈化。

再生過(guò)程：就是模塊的反沖洗過(guò)程，用原水沖洗經(jīng)過(guò)短接靜置的模塊，使電極再生。反沖洗后的水被送入中間水池，進(jìn)入中水池的水等待下一個(gè)周期排污用。

排污過(guò)程：排污過(guò)程其本質(zhì)和再生一樣，是模塊的一個(gè)反沖洗程序，但水源有區(qū)別，排污過(guò)程用的是中間水池的水，即再生之后的濃水，這是一個(gè)有效的節(jié)水過(guò)程，因?yàn)榻?jīng)過(guò)再生之后的濃水尚未達(dá)到飽和，所以用再生后產(chǎn)生的濃水再次沖洗模塊，就節(jié)省了沖洗過(guò)程中的用水量，從而提高了得水率。

電吸附工藝流程圖






圖6 電吸附工藝流程圖



三、電吸附除鹽裝置的技術(shù)特點(diǎn)

耐受性好 核心部件使用壽命長(zhǎng)。（實(shí)際工程連續(xù)運(yùn)行已7年以上），避免了因更換核心部件而帶來(lái)的運(yùn)行成本的提高。


特殊離子去除*  EST技術(shù)對(duì)氟、氯、鈣、鎂離子去除率效果尤佳。


無(wú)二次污染   EST系統(tǒng)幾乎不添加任何藥劑，排放濃水所含成份均系來(lái)自于原水，系統(tǒng)本身不產(chǎn)生新的排放物。濃水可直接達(dá)標(biāo)排放，無(wú)需進(jìn)一步處理。
對(duì)顆粒污染物低   由于電吸附脫鹽裝置采用通道式結(jié)構(gòu)（通道寬度為毫米級(jí)），因此不易堵塞。對(duì)前處理要求相對(duì)較低，因此可降低投資及運(yùn)行成本。

抗結(jié)垢當(dāng)原水硬度較高，且堿度也較高時(shí)，極易結(jié)垢（CaCO₃）。但電吸附技術(shù)主要是利用電場(chǎng)作用將陰、陽(yáng)離子分別去除，因此，陰、陽(yáng)離子所處場(chǎng)所不同，不會(huì)互相結(jié)合產(chǎn)生垢體。


抗油類污染  由于電吸附脫鹽裝置采用特殊的惰性材料制成電極，可抗油類污染。電吸附脫鹽技術(shù)已成功應(yīng)用于煉油廢水回用（齊魯石化工程）。


操作及維護(hù)簡(jiǎn)便   由于EST系統(tǒng)不采用膜類元件，因此對(duì)原水的要求不高。在停機(jī)期間也無(wú)需對(duì)核心部件作特別保養(yǎng)。系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化程度高，對(duì)操作者的技術(shù)要求較低。


運(yùn)行成本低 該技術(shù)屬于常壓操作，能耗比較低，其主要的能量消耗在于使離子發(fā)生遷移。這與其它除鹽技術(shù)相比可以大大地節(jié)約能源。其根本原因在于EST技術(shù)凈化/淡化水的原理是有區(qū)別性地將水中離子從待處理的原水中提取分離出來(lái)，而不是把水分子從待處理的原水中分離出來(lái)。


四、電吸附除鹽裝置的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

采用高效功能材料

EST模塊采用了高效功能材料作為電極，該電極材料不但除鹽效果好，而且具有化學(xué)性質(zhì)高度穩(wěn)定、耐酸、耐堿、耐腐蝕、抗氧化等特點(diǎn)，這使得電吸附除鹽裝置具有對(duì)來(lái)水水質(zhì)約束小、抗污染、設(shè)備可靠、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

這種高效功能材料屬于惰性的多孔無(wú)機(jī)物質(zhì)，比表面大，且在電吸附運(yùn)行中還有一定量的初生活性氧化基團(tuán)產(chǎn)生，對(duì)原水中的有機(jī)物具有一定的去除效果，擴(kuò)大原水水質(zhì)約束范圍。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，原水就可以進(jìn)入EST模塊，即使在預(yù)處理上出一些問(wèn)題，如遇到包含少量油污在內(nèi)的有機(jī)物污染，也不會(huì)使電吸附材料受到大的危害，仍能保證相對(duì)較高的除鹽率。因此，在這種情況下，可以在半年甚至一年的長(zhǎng)期運(yùn)行后，利用酸洗或堿洗的方式對(duì)電極材料進(jìn)行清洗恢復(fù)。

停機(jī)期間，無(wú)需對(duì)核心部件作特別保養(yǎng)，維護(hù)方便。

微通道設(shè)計(jì)

電吸附除鹽裝置采用微通道式設(shè)計(jì)（通道寬度為毫米級(jí)），水流是在宏觀通道中運(yùn)動(dòng)的，因此少量懸浮物和有機(jī)物不會(huì)污堵設(shè)備。對(duì)前處理要求相對(duì)較低，而且可以大大提高得水率，一般情況下可達(dá)75%以上，如有特殊需要，部分濃水經(jīng)回收再處理工藝，可使系統(tǒng)得水率達(dá)到85%以上。

設(shè)備集成度高，實(shí)行智能化控制

電吸附除鹽技術(shù)的開(kāi)發(fā)依據(jù)于水力學(xué)、電化學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子控制學(xué)等理論。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)環(huán)節(jié)在控制計(jì)算機(jī)的集中控制下形成整個(gè)系統(tǒng)。所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)儀表等均由計(jì)算機(jī)按設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)操作，正常運(yùn)行時(shí)不需人工干預(yù)。

綠色技術(shù)節(jié)能、環(huán)保

由于電吸附除鹽技術(shù)利用了雙電層電容靜電吸附的原理，工藝運(yùn)行過(guò)程中不需添加緩蝕劑、阻垢劑、還原劑之類的藥劑，系統(tǒng)所排放的濃水均來(lái)自于原水，所以系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生新污染物。這既節(jié)約了運(yùn)行成本，又避免了二次污染。另外，與其他技術(shù)相比，電吸附技術(shù)屬于常壓操作，提升能耗少，其主要的能量消耗在使離子發(fā)生遷移，并通過(guò)控制電壓使電極表面不發(fā)生極化現(xiàn)象，同時(shí)工作時(shí)所儲(chǔ)存的電能可以在再生時(shí)回收一部分，因此，總體能耗較低。

高濃度反滲透濃水循環(huán)利用設(shè)備
適應(yīng)性好，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

電吸附除鹽技術(shù)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求不高，并且可以根據(jù)電壓調(diào)節(jié)來(lái)控制除鹽率在60%－90%的范圍內(nèi)變化。因此，拓展了電吸附技術(shù)的適用領(lǐng)域。電吸附可以被廣泛應(yīng)用于飲用水、廢水、污水處理等方面，包括冶金、化工、電子、電力、制藥、紡織、造紙等工業(yè)領(lǐng)域。對(duì)于那些污染較重，不需要*除鹽的場(chǎng)合來(lái)說(shuō)電吸附不失為一種良好的選擇。