高濃度反滲透濃水循環(huán)利用設備

一、電吸附除鹽技術原理

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

水處理中的鹽類大多是以離子（帶正電或負電）的狀態(tài)存在。電吸附除鹽技術的基本思想就是通過施加外加電壓形成靜電場，強制離子向帶有相反電荷的電極處移動，使離子在雙電層內富集，大大降低溶液本體濃度，從而實現對水溶液的除鹽。

電吸附原理見圖2，原水從一端進入由兩電極板相隔而成的空間，從另一端流出。原水在陰、陽極之間流動時受到電場的作用，水中離子分別向帶相反電荷的電極遷移，被該電極吸附并儲存在雙電層內。隨著電極吸附離子的增多，離子在電極表面富集濃縮，終實現與水的分離，獲得凈化/淡化的產品水。

圖2　電吸附基本工作原理示意圖

當含有一定量鹽類的原水經過由高功能電極材料組成的電吸附模塊時，離子在直流電場的作用下被儲存在電極表面的雙電層中，直至電極達到飽和。此時，將直流電源去掉，并將正負電極短接，由于直流電場的消失，儲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。在電吸附過程中，電量的儲存/釋放是通過離子的吸/脫附而不是化學反應來實現的，故而能快速充放電，而且由于在充放電時僅產生離子的吸/脫附，電極結構不會發(fā)生變化，所以其充放電次數在原理上沒有限制。另外，在短時間內過電壓一般不會對裝置產生不良影響。溫度對離子的吸脫附速度影響不是很大，故其容量變化也相對小得多。見下圖3再生過程示意圖

圖3再生過程示意圖

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

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，C_b為溶液離子濃度，z為離子電荷數，Φ₂為擴散層電勢差，R為氣體常數，T為溫度。

從（3-1）式可以看出，雙電層內可集聚的離子數量與離子的濃度和在電極上所施加的電勢密切相關。當體系的溫度、電勢為一定時，（3-1）式可簡化為：

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

如果假設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，在等溫等電勢條件下，電極對離子的電吸附量與溶液離子濃度平方根成正比關系，與Frundlich吸附等溫線相似。當電極表面電位達到一定值時，雙電層離子濃度可達溶液體相濃度的成百上千倍。當含有一定量鹽類的原水經過由高功能電極材料組成的電吸附模塊時，離子在直流電場的作用下被儲存在電極表面的雙電層中，直至電極達到飽和。此時，將直流電源去掉，并將正負電極短接，由于直流電場的消失，儲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，對材料吸附能力的描述是用等電勢吸附等溫線來進行描述的，而對電吸附來說，除了要考慮到溫度的影響外，還必須考慮電極電勢的影響。因此，本技術的研究是從通過測定等電勢吸附等溫線，了解掌握電極材料的電吸附性能著手。

圖4示出電極材料對氯化鈉的等電勢吸附等溫線。實驗條件為溫度25℃，電極電壓1.0V。通過對曲線的回歸計算，得出吸附量與平衡濃度的關系，如（3-4）式所示，吸附量與平衡濃度呈平方根關系，符合上述雙電層理論計算式的預測。

                                                                                       （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吸附等溫線

由于電吸附過程主要利用電場力的作用將陰、陽離子分別吸附到不同的電極表面形成雙電層，這會使同一極面上的難溶鹽離子濃度積相對低得多，可有效防止難溶鹽結垢現象的發(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晶在極板上的生長。電吸附可以在濃水難溶鹽過飽和狀態(tài)下運行。另外，在電吸附模塊中，由于電吸附過程中陰、陽離子吸附不平衡導致產生氫離子含量較多的出水，通過倒極的方式，略偏酸性的出水同樣會使有微量結垢現象的垢體溶解掉。

二、電吸附的工藝流程

工藝流程分為三個步驟：工作流程，再生流程和排污流程。

工作過程：原水貯藏在原水池中，與此同時酸溶液也通過計量泵同步連續(xù)地加入原水池，經過曝氣后原水通過提升泵被提升進入精密過濾器，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。

再生過程：就是模塊的反沖洗過程，用原水沖洗經過短接靜置的模塊，使電極再生。反沖洗后的水被送入中間水池，進入中水池的水等待下一個周期排污用。

排污過程：排污過程其本質和再生一樣，是模塊的一個反沖洗程序，但水源有區(qū)別，排污過程用的是中間水池的水，即再生之后的濃水，這是一個有效的節(jié)水過程，因為經過再生之后的濃水尚未達到飽和，所以用再生后產生的濃水再次沖洗模塊，就節(jié)省了沖洗過程中的用水量，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特點

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


特殊離子去除*  EST技術對氟、氯、鈣、鎂離子去除率效果尤佳。


無二次污染   EST系統(tǒng)幾乎不添加任何藥劑，排放濃水所含成份均系來自于原水，系統(tǒng)本身不產生新的排放物。濃水可直接達標排放，無需進一步處理。
對顆粒污染物低   由于電吸附脫鹽裝置采用通道式結構（通道寬度為毫米級），因此不易堵塞。對前處理要求相對較低，因此可降低投資及運行成本。

抗結垢當原水硬度較高，且堿度也較高時，極易結垢（CaCO₃）。但電吸附技術主要是利用電場作用將陰、陽離子分別去除，因此，陰、陽離子所處場所不同，不會互相結合產生垢體。


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。電吸附脫鹽技術已成功應用于煉油廢水回用（齊魯石化工程）。


操作及維護簡便   由于EST系統(tǒng)不采用膜類元件，因此對原水的要求不高。在停機期間也無需對核心部件作特別保養(yǎng)。系統(tǒng)采用計算機控制，自動化程度高，對操作者的技術要求較低。


運行成本低 該技術屬于常壓操作，能耗比較低，其主要的能量消耗在于使離子發(fā)生遷移。這與其它除鹽技術相比可以大大地節(jié)約能源。其根本原因在于EST技術凈化/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，而不是把水分子從待處理的原水中分離出來。


四、電吸附除鹽裝置的技術優(yōu)勢

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，而且具有化學性質高度穩(wěn)定、耐酸、耐堿、耐腐蝕、抗氧化等特點，這使得電吸附除鹽裝置具有對來水水質約束小、抗污染、設備可靠、運行穩(wěn)定等優(yōu)點。

這種高效功能材料屬于惰性的多孔無機物質，比表面大，且在電吸附運行中還有一定量的初生活性氧化基團產生，對原水中的有機物具有一定的去除效果，擴大原水水質約束范圍。經過適當的預處理，原水就可以進入EST模塊，即使在預處理上出一些問題，如遇到包含少量油污在內的有機物污染，也不會使電吸附材料受到大的危害，仍能保證相對較高的除鹽率。因此，在這種情況下，可以在半年甚至一年的長期運行后，利用酸洗或堿洗的方式對電極材料進行清洗恢復。

停機期間，無需對核心部件作特別保養(yǎng)，維護方便。

微通道設計

電吸附除鹽裝置采用微通道式設計（通道寬度為毫米級），水流是在宏觀通道中運動的，因此少量懸浮物和有機物不會污堵設備。對前處理要求相對較低，而且可以大大提高得水率，一般情況下可達75%以上，如有特殊需要，部分濃水經回收再處理工藝，可使系統(tǒng)得水率達到85%以上。

設備集成度高，實行智能化控制

電吸附除鹽技術的開發(fā)依據于水力學、電化學、機械學、電子控制學等理論。系統(tǒng)采用模塊化設計，各個環(huán)節(jié)在控制計算機的集中控制下形成整個系統(tǒng)。所有的執(zhí)行機構、檢測儀表等均由計算機按設定程序實現操作，正常運行時不需人工干預。

綠色技術節(jié)能、環(huán)保

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

高濃度反滲透濃水循環(huán)利用設備
適應性好，應用領域廣泛

電吸附除鹽技術對進水水質要求不高，并且可以根據電壓調節(jié)來控制除鹽率在60%－90%的范圍內變化。因此，拓展了電吸附技術的適用領域。電吸附可以被廣泛應用于飲用水、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)領域。對于那些污染較重，不需要*除鹽的場合來說電吸附不失為一種良好的選擇。