高浓度反渗透浓水循环利用设备

一、电吸附除盐技术原理

电吸(xi)附(fu)除盐(yan)技术（Electrosorb Technology），简(jian)称（EST），又称电容性除盐(yan)技术（Capacitive Deionization/Desalination Technology）。

水(shui)处(chu)理中的(de)(de)盐类大(da)多是(shi)以离子（带(dai)正电(dian)(dian)或负电(dian)(dian)）的(de)(de)状态存在(zai)。电(dian)(dian)吸附除盐技术的(de)(de)基本思想就(jiu)是(shi)通过(guo)施(shi)加(jia)外(wai)加(jia)电(dian)(dian)压形成静(jing)电(dian)(dian)场，强制离子向(xiang)带(dai)有(you)相(xiang)反电(dian)(dian)荷的(de)(de)电(dian)(dian)极处(chu)移动(dong)，使(shi)离子在(zai)双电(dian)(dian)层内富集，大(da)大(da)降低溶(rong)液本体浓(nong)度，从而实现对水(shui)溶(rong)液的(de)(de)除盐。

电(dian)吸附原(yuan)(yuan)理见图(tu)2，原(yuan)(yuan)水(shui)从一端进入由两电(dian)极板相(xiang)隔而成的(de)(de)(de)空间，从另(ling)一端流出。原(yuan)(yuan)水(shui)在阴、阳极之间流动时(shi)受到电(dian)场的(de)(de)(de)作用，水(shui)中(zhong)离子(zi)分别向带相(xiang)反电(dian)荷的(de)(de)(de)电(dian)极迁移，被该电(dian)极吸附并(bing)储(chu)存在双电(dian)层内(nei)。随(sui)着电(dian)极吸附离子(zi)的(de)(de)(de)增多，离子(zi)在电(dian)极表(biao)面富集浓(nong)缩，终实现与水(shui)的(de)(de)(de)分离，获得净化/淡化的(de)(de)(de)产品(pin)水(shui)。

图(tu)2　电吸(xi)附(fu)基本工(gong)作原理示(shi)意(yi)图(tu)

当含(han)有一(yi)定(ding)量盐类(lei)的(de)(de)原水(shui)经(jing)过由高功能电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)极材料组成的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)吸附模块时(shi)，离子(zi)在(zai)(zai)直(zhi)(zhi)流电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)的(de)(de)作用下被储存(cun)在(zai)(zai)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)极表面(mian)的(de)(de)双电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)层中(zhong)，直(zhi)(zhi)至电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)极达(da)到(dao)饱和。此(ci)时(shi)，将直(zhi)(zhi)流电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源去掉，并(bing)将正负电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)极短(duan)接(jie)，由于(yu)直(zhi)(zhi)流电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)的(de)(de)消失，储存(cun)在(zai)(zai)双电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)层中(zhong)的(de)(de)离子(zi)又重新(xin)回到(dao)通(tong)道中(zhong)，随水(shui)流排出，电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)极也(ye)由此(ci)得到(dao)再生。在(zai)(zai)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)吸附过程中(zhong)，电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)量的(de)(de)储存(cun)/释放(fang)是通(tong)过离子(zi)的(de)(de)吸/脱附而(er)不(bu)(bu)(bu)是化(hua)(hua)学反应来实(shi)现的(de)(de)，故(gu)而(er)能快速(su)充放(fang)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，而(er)且由于(yu)在(zai)(zai)充放(fang)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)时(shi)仅产生离子(zi)的(de)(de)吸/脱附，电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)极结构不(bu)(bu)(bu)会发(fa)生变化(hua)(hua)，所以其充放(fang)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)次数(shu)在(zai)(zai)原理上没有限(xian)制。另外(wai)，在(zai)(zai)短(duan)时(shi)间内过电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压一(yi)般不(bu)(bu)(bu)会对(dui)装置产生不(bu)(bu)(bu)良影响。温度对(dui)离子(zi)的(de)(de)吸脱附速(su)度影响不(bu)(bu)(bu)是很大，故(gu)其容量变化(hua)(hua)也(ye)相对(dui)小得多。见下图3再生过程示意图

图3再生过程示意图

根据Gouy-Chapman-Stern模型，在一个理想的等价离(li)子(zi)电(dian)解(jie)质溶液双(shuang)电(dian)层(ceng)系(xi)统(tong)中，电(dian)极表面电(dian)荷量(liang)与(yu)电(dian)极电(dian)位、离(li)子(zi)浓度(du)、温度(du)等参(can)数(shu)之间有如下关系(xi)式(shi)：

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

其中：q

^M为电极表面电荷量，ε为溶液介电常数，C_b为溶液离子浓度，z为离子电荷数，Φ₂为扩散层(ceng)电势(shi)差(cha)，R为气体常数，T为温度。

从（3-1）式可以(yi)看出，双电(dian)层内可集聚的(de)(de)离子(zi)数量与(yu)离子(zi)的(de)(de)浓度(du)和在电(dian)极(ji)上所施加的(de)(de)电(dian)势密切(qie)相(xiang)关。当体系的(de)(de)温度(du)、电(dian)势为一定时(shi)，（3-1）式可简(jian)化为：

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

如果假(jia)设电极电荷密度与(yu)电极表面(mian)所集(ji)聚的离子量成正比，则有(you)

S=K(C

_b)^1/2                                                                                     （3-3）

其中S为双电层内离(li)子的(de)集聚密度，也即离(li)子吸附(fu)量。

从（3-3）式可以看出(chu)，在等(deng)温(wen)等(deng)电势条(tiao)件下，电极对离(li)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)电吸(xi)(xi)附(fu)量与溶液离(li)子(zi)(zi)(zi)浓度(du)平(ping)方(fang)根成正(zheng)比关系，与Frundlich吸(xi)(xi)附(fu)等(deng)温(wen)线相(xiang)似。当(dang)电极表面电位达(da)到(dao)(dao)(dao)一定(ding)值(zhi)时(shi)(shi)，双电层(ceng)离(li)子(zi)(zi)(zi)浓度(du)可达(da)溶液体相(xiang)浓度(du)的(de)(de)(de)成百上(shang)千倍。当(dang)含有一定(ding)量盐类的(de)(de)(de)原水(shui)经过由(you)高功(gong)能电极材(cai)料组成的(de)(de)(de)电吸(xi)(xi)附(fu)模块时(shi)(shi)，离(li)子(zi)(zi)(zi)在直流电场(chang)(chang)的(de)(de)(de)作用(yong)下被储存在电极表面的(de)(de)(de)双电层(ceng)中，直至电极达(da)到(dao)(dao)(dao)饱和。此时(shi)(shi)，将(jiang)直流电源去掉，并将(jiang)正(zheng)负(fu)电极短(duan)接，由(you)于直流电场(chang)(chang)的(de)(de)(de)消失，储存在双电层(ceng)中的(de)(de)(de)离(li)子(zi)(zi)(zi)又重新回到(dao)(dao)(dao)通道中，随(sui)水(shui)流排出(chu)，电极也由(you)此得到(dao)(dao)(dao)再生。

电(dian)(dian)吸附(fu)模块(kuai)处理效果(guo)的(de)好坏主要取决于(yu)电(dian)(dian)极(ji)的(de)吸附(fu)性能。通(tong)(tong)常，对材料吸附(fu)能力的(de)描述是用等(deng)电(dian)(dian)势吸附(fu)等(deng)温线(xian)来进行描述的(de)，而对电(dian)(dian)吸附(fu)来说，除(chu)了(le)要考虑到(dao)温度的(de)影响外，还必须考虑电(dian)(dian)极(ji)电(dian)(dian)势的(de)影响。因此，本技(ji)术的(de)研究是从通(tong)(tong)过测定等(deng)电(dian)(dian)势吸附(fu)等(deng)温线(xian)，了(le)解掌握电(dian)(dian)极(ji)材料的(de)电(dian)(dian)吸附(fu)性能着手(shou)。

图4示(shi)出(chu)电(dian)极材料对(dui)氯化钠的(de)(de)等(deng)电(dian)势吸附等(deng)温线(xian)(xian)。实验条件为温度25℃，电(dian)极电(dian)压1.0V。通(tong)过对(dui)曲(qu)线(xian)(xian)的(de)(de)回归计(ji)算(suan)(suan)，得出(chu)吸附量与(yu)平衡浓度的(de)(de)关系，如（3-4）式(shi)所(suo)示(shi)，吸附量与(yu)平衡浓度呈平方(fang)根(gen)关系，符合上述(shu)双(shuang)电(dian)层(ceng)理(li)论计(ji)算(suan)(suan)式(shi)的(de)(de)预测。

                                                                                       （3-4）

式中：m

_ad—每克电极材料的吸附量，mg/g；

C—氯化钠溶(rong)液的平衡(heng)浓度，mg/L。

图4 氯化(hua)钠在电极材料上的等(deng)电势吸(xi)附等(deng)温(wen)线

由于电(dian)(dian)吸(xi)附(fu)过程主(zhu)要利(li)用(yong)(yong)电(dian)(dian)场(chang)力(li)的(de)(de)作用(yong)(yong)将阴(yin)、阳离子分(fen)别吸(xi)附(fu)到不同的(de)(de)电(dian)(dian)极表(biao)面形成(cheng)双(shuang)电(dian)(dian)层，这会使同一(yi)极面上的(de)(de)难(nan)(nan)溶(rong)盐(yan)离子浓(nong)度积相对低得多(duo)，可有效防止难(nan)(nan)溶(rong)盐(yan)结垢现(xian)象(xiang)的(de)(de)发(fa)生(sheng)(sheng)。其次，电(dian)(dian)吸(xi)附(fu)极板间水径流与极板呈切(qie)线方向，不利(li)于水中析出难(nan)(nan)溶(rong)盐(yan)结晶在(zai)极板上的(de)(de)生(sheng)(sheng)长。电(dian)(dian)吸(xi)附(fu)可以在(zai)浓(nong)水难(nan)(nan)溶(rong)盐(yan)过饱和状态下运行。另外，在(zai)电(dian)(dian)吸(xi)附(fu)模(mo)块中，由于电(dian)(dian)吸(xi)附(fu)过程中阴(yin)、阳离子吸(xi)附(fu)不平衡导致产生(sheng)(sheng)氢(qing)离子含量(liang)(liang)较(jiao)多(duo)的(de)(de)出水，通过倒(dao)极的(de)(de)方式(shi)，略偏酸性的(de)(de)出水同样会使有微量(liang)(liang)结垢现(xian)象(xiang)的(de)(de)垢体溶(rong)解掉。

二、电吸附的工艺流程

工艺流(liu)程分为三个(ge)步骤：工作流(liu)程，再生流(liu)程和排(pai)污流(liu)程。

工作(zuo)过程：原(yuan)(yuan)(yuan)水(shui)贮藏在原(yuan)(yuan)(yuan)水(shui)池(chi)中，与(yu)此同时酸溶液也通过计(ji)量泵(beng)同步连续(xu)地加入原(yuan)(yuan)(yuan)水(shui)池(chi)，经过曝气后原(yuan)(yuan)(yuan)水(shui)通过提升(sheng)泵(beng)被(bei)提升(sheng)进(jin)入精密过滤器(qi)，大于10μm的(de)残留固体悬浮物在此道(dao)工序被(bei)截流，水(shui)再被(bei)送(song)入电吸附（EST）模块A。水(shui)中溶解性(xing)的(de)盐类(lei)被(bei)吸附，水(shui)得到除盐净化。

再(zai)生(sheng)过程：就是模(mo)块的(de)(de)反冲洗(xi)过程，用原水(shui)(shui)冲洗(xi)经过短接静置(zhi)的(de)(de)模(mo)块，使电极(ji)再(zai)生(sheng)。反冲洗(xi)后的(de)(de)水(shui)(shui)被(bei)送入中间水(shui)(shui)池，进入中水(shui)(shui)池的(de)(de)水(shui)(shui)等待(dai)下一个周期排(pai)污用。

排污(wu)过(guo)程：排污(wu)过(guo)程其(qi)本质和(he)再(zai)(zai)生一(yi)样，是模(mo)块的(de)(de)(de)一(yi)个(ge)反冲(chong)洗程序，但水(shui)源有(you)区别，排污(wu)过(guo)程用的(de)(de)(de)是中间水(shui)池的(de)(de)(de)水(shui)，即(ji)再(zai)(zai)生之(zhi)后的(de)(de)(de)浓水(shui)，这是一(yi)个(ge)有(you)效(xiao)的(de)(de)(de)节(jie)水(shui)过(guo)程，因为经过(guo)再(zai)(zai)生之(zhi)后的(de)(de)(de)浓水(shui)尚未达到饱和(he)，所(suo)以用再(zai)(zai)生后产生的(de)(de)(de)浓水(shui)再(zai)(zai)次冲(chong)洗模(mo)块，就节(jie)省了冲(chong)洗过(guo)程中的(de)(de)(de)用水(shui)量(liang)，从而提高了得水(shui)率。

电吸附工艺流程图






图6 电吸附工艺流程图



三、电吸附除盐装置的技术特点

耐受性好 核心部件使用寿命长。（实际工程连续运行已7年以上），避免了因更换核心部件而带来的运行成本的提高。


特殊离子去除*  EST技术对氟、氯、钙、镁离子去除率效果尤佳。


无二次污染   EST系统几乎不添加任何药剂，排放浓水所含成份均系来自于原水，系统本身不产生新的排放物。浓水可直接达标排放，无需进一步处理。
对颗粒污染物低   由于电(dian)吸附脱盐装置采用通道式结构（通道宽度(du)为毫米级），因此不易(yi)堵塞。对前处理(li)要求相(xiang)对较(jiao)低，因此可(ke)降低投资(zi)及运行(xing)成本。

抗结垢当原水硬度较高，且碱度也较高时，极易结垢（CaCO₃）。但电吸附技术主要是利用电场作用将阴、阳离子分别去除，因此，阴、阳离子所处场所不同，不会互相结合产生垢体。


抗油类污染  由于电吸附脱盐装置采用特殊的惰性材料制成电极，可抗油类污染。电吸附脱盐技术已成功应用于炼油废水回用（齐鲁石化工程）。


操作及维护简便   由于EST系统不采用膜类元件，因此对原水的要求不高。在停机期间也无需对核心部件作特别保养。系统采用计算机控制，自动化程度高，对操作者的技术要求较低。


运行成本低 该技术属于常压操作，能耗比较低，其主要的能量消耗在于使离子发生迁移。这与其它除盐技术相比可以大大地节约能源。其根本原因在于EST技术净化/淡化水的原理是有区别性地将水中离子从待处理的原水中提取分离出来，而不是把水分子从待处理的原水中分离出来。


四、电吸附除盐装置的技术优势

采用高效功能材料

EST模块采用了高效功(gong)能材料作为电(dian)极，该(gai)电(dian)极材料不但除盐(yan)效果好，而且具有化学性(xing)质(zhi)高度稳(wen)定、耐(nai)酸(suan)、耐(nai)碱、耐(nai)腐(fu)蚀、抗氧(yang)化等(deng)特点(dian)，这(zhei)使得(de)电(dian)吸附除盐(yan)装置具有对来水水质(zhi)约束(shu)小、抗污染、设备可靠、运行(xing)稳(wen)定等(deng)优点(dian)。

这种(zhong)(zhong)高效功能(neng)材(cai)料属于惰性的(de)(de)(de)(de)多孔无机物质，比表面大(da)，且在(zai)(zai)电(dian)(dian)吸附(fu)运(yun)行(xing)中还有(you)一定(ding)量的(de)(de)(de)(de)初(chu)生活性氧化基团产生，对(dui)原(yuan)水中的(de)(de)(de)(de)有(you)机物具有(you)一定(ding)的(de)(de)(de)(de)去除效果，扩大(da)原(yuan)水水质约束范围。经过适(shi)当(dang)的(de)(de)(de)(de)预处(chu)理(li)，原(yuan)水就可以进入EST模块(kuai)，即使(shi)在(zai)(zai)预处(chu)理(li)上出(chu)一些问题，如遇到包含少量油污在(zai)(zai)内的(de)(de)(de)(de)有(you)机物污染，也不会使(shi)电(dian)(dian)吸附(fu)材(cai)料受到大(da)的(de)(de)(de)(de)危害，仍能(neng)保证相对(dui)较高的(de)(de)(de)(de)除盐(yan)率(lv)。因(yin)此，在(zai)(zai)这种(zhong)(zhong)情(qing)况下，可以在(zai)(zai)半年(nian)甚至(zhi)一年(nian)的(de)(de)(de)(de)长期运(yun)行(xing)后，利(li)用酸洗(xi)或碱洗(xi)的(de)(de)(de)(de)方式对(dui)电(dian)(dian)极材(cai)料进行(xing)清洗(xi)恢复(fu)。

停机期间，无(wu)需对(dui)核心部件作(zuo)特别保养，维(wei)护方便。

微通道设计

电(dian)吸附除盐装置采用微(wei)通(tong)道(dao)式设计（通(tong)道(dao)宽(kuan)度为毫米级），水(shui)流是在宏观通(tong)道(dao)中运动的，因此少量(liang)悬浮物(wu)和有(you)机物(wu)不会污堵(du)设备。对前处理(li)要求(qiu)相对较低，而且可(ke)以大大提(ti)高得水(shui)率，一般情况下(xia)可(ke)达75%以上，如有(you)特殊需要，部分(fen)浓水(shui)经(jing)回(hui)收再处理(li)工艺，可(ke)使(shi)系统得水(shui)率达到(dao)85%以上。

设备集成度高，实行智能化控制

电吸附除盐技术的(de)(de)开发依据于水(shui)力学(xue)(xue)、电化学(xue)(xue)、机械学(xue)(xue)、电子(zi)控(kong)制(zhi)学(xue)(xue)等理论。系(xi)统采(cai)用(yong)模块化设(she)计，各个(ge)环节在控(kong)制(zhi)计算机的(de)(de)集中控(kong)制(zhi)下形(xing)成整个(ge)系(xi)统。所有的(de)(de)执行机构、检测仪(yi)表等均(jun)由计算机按设(she)定程序实现操作(zuo)，正常运(yun)行时不(bu)需人工干预。

绿色技术节能、环保

由(you)于(yu)电(dian)吸附(fu)(fu)除盐技(ji)术(shu)利用了双电(dian)层电(dian)容(rong)静电(dian)吸附(fu)(fu)的(de)(de)(de)原(yuan)理，工(gong)艺运行过(guo)程中不(bu)需添加缓蚀剂(ji)、阻垢剂(ji)、还原(yuan)剂(ji)之(zhi)类的(de)(de)(de)药剂(ji)，系统(tong)所(suo)排放(fang)的(de)(de)(de)浓水均(jun)来自于(yu)原(yuan)水，所(suo)以(yi)系统(tong)不(bu)会产生新污染(ran)物。这既(ji)节(jie)约了运行成本，又避免了二次污染(ran)。另外，与其他技(ji)术(shu)相比，电(dian)吸附(fu)(fu)技(ji)术(shu)属于(yu)常压操作(zuo)，提升能(neng)(neng)耗(hao)少，其主要(yao)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量消耗(hao)在使离子发生迁移，并通过(guo)控制电(dian)压使电(dian)极(ji)表面不(bu)发生极(ji)化现象，同时(shi)工(gong)作(zuo)时(shi)所(suo)储存(cun)的(de)(de)(de)电(dian)能(neng)(neng)可以(yi)在再生时(shi)回收(shou)一部分，因(yin)此，总体(ti)能(neng)(neng)耗(hao)较低。

高浓度反渗透浓水循环利用设备
适应性好，应用领域广泛

电(dian)吸(xi)(xi)附除盐技术对进水(shui)水(shui)质要(yao)求不高，并且可以根据电(dian)压调(diao)节来控制除盐率(lv)在(zai)60%－90%的(de)(de)范围内变化(hua)。因此，拓展了电(dian)吸(xi)(xi)附技术的(de)(de)适(shi)用(yong)(yong)领域。电(dian)吸(xi)(xi)附可以被广泛应用(yong)(yong)于饮用(yong)(yong)水(shui)、废水(shui)、污水(shui)处理等方(fang)面，包括冶金(jin)、化(hua)工、电(dian)子、电(dian)力(li)、制药(yao)、纺织、造纸等工业领域。对于那(nei)些污染较(jiao)重，不需(xu)要(yao)*除盐的(de)(de)场合来说电(dian)吸(xi)(xi)附不失为一(yi)种良(liang)好的(de)(de)选(xuan)择。