电吸附技术及在污水回用中的应用-电吸附技术

电吸附技术及在污水回用中的应用技术资料常州爱思特净化设备有限公司2009年6月目录1．前言 (3)2．电吸附技术发展 (3)3．电吸附除盐技术原理 (5)4．主要性能指标参数与运行工况 (9)5．电吸附的工艺流程 (11)6．电吸附工艺流程的设计要点 (12)7．电吸附系统的组成 (15)8．电吸附除盐装置的技术特点 (16)9．电吸附除盐装置的技术优势 (17)10．与常规除盐技术的比较分析与技术优势 (19)11．电吸附除盐技术的科技创新点 (21)12．电吸附技术的应用领域 (21)13．电吸附技术的经济评价与经济优势 (22)14．电吸附主要技术的应用前景与发展趋势 (23)15．电吸附技术除盐方面的中试案例 (25)16．电吸附除盐技术的工程应用案例 (31)1．前言万物生存以阳光和水为源，而作为万物之长的人类，其生存则更以水源为本。

众所周知，水资源的污染以及由此产生的短缺现象已经越来越成为影响国民经济和人民生活的重要因素。

据联合国报告可知：本世纪全球耗水总量增加了8倍。

世界淡水消耗年增长率为2.5%......至2000年全球人均用水量不得不减少三分之一，全世界有26个严重缺水的国家，有40%的人遭受缺水之苦，每年有2500万人因污染而死亡。

这些触目惊心的数据表明，污染的水源和用水的短缺，已经严重威胁着人类的生存。

我国虽然是水资源大国，但是污染与缺水问题也已经不容忽视，必须提到战略日程上来。

急需解决。

2．电吸附技术发展电吸附除盐技术（Electrosorb Technology），简称（EST），又称电容性除盐技术（Capacitive Deionization/Desalination Technology）。

该技术在电吸附的研究始于20世纪60年代，俄克拉荷马大学的研究人员利用电吸附原理，从略带碱性的水中去除了盐分。

在Caudle等的报告中描述了使用多孔电极的电容去离子装置。

Johnson 和Newman等的研究则包括验证过程的理论基础、参数研究和对多种候选电极材料的评价。

国外的研究工作也主要以炭电极的发展作为主线，但主要停留在小流量循环处理的实验阶段。

国外在电吸附应用方面取得研究成果最多的是美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，他们从从上个世纪90年代，采用内部孔隙极多的炭气凝胶作为电极材料开发出来一套电容性除盐实验装置。

虽然具有一定的除盐效果，但材料制作工艺复杂，制作成本很高。

妨碍了这一技术的推广。

国内在电吸附技术的研究起步比较晚，这方面的文献并不多见，国内陈福明、尹广军等1999报道了用多孔大面积电极去除水中离子的方法，并对电吸附进行了一系列的理论和实验研究。

杨慧云对NaCl溶液进行电容性除盐，结果分析表明，当溶液种类和浓度一定时，电极的吸附容量随外加电压的增加而增大，当溶液种类和外加电压确定后，吸附容量随着浓度的增加而增大，并达到一个极限值吸附。

莫剑雄也尝试利用双电层电容的原理进行电吸附装置的研究2000年在留美回国的电吸附专家孙晓慰博士带领下，在江苏常州成立常州爱思特净化设备有限公司，并在北北京建立的国内第一个电吸附实验研究中心，开始了电吸附技术的研发应用，并在电极材料研制、核心部件设计、系统控制和集成等方面钻研下，取得了突破性进展。

常州爱思特净化设备有限公司是专业开发电吸附(Electrosorb Technology，简称EST)水处理技术和设备的高科技企业，拥有博士、硕士、学士等中高级科技人才，具有强大的技术优势，为我国唯一拥有电吸附净化技术自主知识产权单位，公司主要从事电吸附(EST)水净化/淡化设备的设计、开发、生产制造、工程应用及相关技术服务，使电吸附水处理技术达到实用化、产业化、系列化、规模化。

电吸附(EST)水处理技术是目前世界最新水处理使用技术，公司经与清华、钢铁、石化等高校、科研单位合作。

常州爱思特公司科研人员在电吸附除盐技术研发领域实现重大突破，开发出一系列电吸附水处理设备并获得了2项国家发明专利和6项实用新型专利，成功地将电吸附技术导入水处理领域。

2008年3月，中国环境保护产业协会水污染治理委员会，在太原召开了“电吸附除盐技术及其在污水回用中的应用技术评议会”。

专家评议委员会由哈尔滨工业大学李圭白院士为评议委员会主任、清华大学王占生教授、太原理工大学崔玉川教授为评议委员会副主任的九位专家组成的评审委员会，对电吸附技术进行了评议。

评议意见认为：(1) 爱思特净化设备有限公司研发并完成了具有自主知识产权的技术发明，研制了电吸附除盐技术的关键材料和装置，建成了数千m3/d 规模的污水回用工程，成果处于国际领先水平；(2) 采用电吸附技术对石化、钢铁、造纸行业的废水回用进行了中试研究，建立了规模达100m3/h和400m3/h的示范工程，取得了先进的技术经济指标，原水电导率为1000~3000μS/cm时，系统除盐率为60~95%，稳定产水率为75~85%，耗电量为1~2kWh/m3；(3) 实现了电吸附除盐技术的模块化并形成了系列化产品，初步具备了大规模推广应用的条件，填补里国内在这一领域的技术空白。

电吸附除盐技术及其在污水回用中的应用技术评议会图13．电吸附除盐技术原理电吸附除盐技术（Electrosorb Technology），简称（EST），又称电容性除盐技术（Capacitive Deionization/Desalination Technology）。

水处理中的盐类大多是以离子（带正电或负电）的状态存在。

电吸附除盐技术的基本思想就是通过施加外加电压形成静电场，强制离子向带有相反电荷的电极处移动，使离子在双电层内富集，大大降低溶液本体浓度，从而实现对水溶液的除盐。

电吸附原理见图2，原水从一端进入由两电极板相隔而成的空间，从另一端流出。

原水在阴、阳极之间流动时受到电场的作用，水中离子分别向带相反电荷的电极迁移，被该电极吸附并储存在双电层内。

随着电极吸附离子的增多，离子在电极表面富集浓缩，最终实现与水的分离，获得净化/淡化的产品水。

图2电吸附基本工作原理示意图当含有一定量盐类的原水经过由高功能电极材料组成的电吸附模块时，离子在直流电场的作用下被储存在电极表面的双电层中，直至电极达到饱和。

此时，将直流电源去掉，并将正负电极短接，由于直流电场的消失，储存在双电层中的离子又重新回到通道中，随水流排出，电极也由此得到再生。

在电吸附过程中，电量的储存/释放是通过离子的吸/脱附而不是化学反应来实现的，故而能快速充放电，而且由于在充放电时仅产生离子的吸/脱附，电极结构不会发生变化，所以其充放电次数在原理上没有限制。

另外，在短时间内过电压一般不会对装置产生不良影响。

温度对离子的吸脱附速度影响不是很大，故其容量变化也相对小得多。

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子电解质溶液双电层系统中，电极表面电荷量与电极电位、离子浓度、温度等参数之间有如下关系式：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为扩散层电势差，R为气体常数，T为绝对温度。

从（3-1）式可以看出，双电层内可集聚的离子数量与离子的浓度和在电极上所施加的电势密切相关。

当体系的温度、电势为一定时，（3-1）式可简化为：q M=k(C b)1/2（3-2）如果假设电极电荷密度与电极表面所集聚的离子量成正比，则有S=K(C b)1/2（3-3）其中S为双电层内离子的集聚密度，也即离子吸附量。

从（3-3）式可以看出，在等温等电势条件下，电极对离子的电吸附量与溶液离子浓度平方根成正比关系，与Frundlich吸附等温线相似。

当电极表面电位达到一定值时，双电层离子浓度可达溶液体相浓度的成百上千倍。

当含有一定量盐类的原水经过由高功能电极材料组成的电吸附模块时，离子在直流电场的作用下被储存在电极表面的双电层中，直至电极达到饱和。

此时，将直流电源去掉，并将正负电极短接，由于直流电场的消失，储存在双电层中的离子又重新回到通道中，随水流排出，电极也由此得到再生。

电吸附模块处理效果的好坏主要取决于电极的吸附性能。

通常，对材料吸附能力的描述是用等电势吸附等温线来进行描述的，而对电吸附来说，除了要考虑到温度的影响外，还必须考虑电极电势的影响。

因此，本技术的研究是从通过测定等电势吸附等温线，了解掌握电极材料的电吸附性能着手。

图4示出电极材料对氯化钠的等电势吸附等温线。

实验条件为温度25℃，电极电压1.0V。

通过对曲线的回归计算，得出吸附量与平衡浓度的关系，如（3-4）式所示，吸附量与平衡浓度呈平方根关系，符合上述双电层理论计算式的预测。

5.C=（3-4）m0.6ad式中：m ad—每克电极材料的吸附量，mg/g；C—氯化钠溶液的平衡浓度，mg/L。

图4 氯化钠在电极材料上的等电势吸附等温线由于电吸附过程主要利用电场力的作用将阴、阳离子分别吸附到不同的电极表面形成双电层，这会使同一极面上的难溶盐离子浓度积相对低得多，可有效防止难溶盐结垢现象的发生。

其次，电吸附极板间水径流与极板呈切线方向，不利于水中析出难溶盐结晶在极板上的生长。

电吸附可以在浓水难溶盐过饱和状态下运行。

另外，在电吸附模块中，由于电吸附过程中阴、阳离子吸附不平衡导致产生氢离子含量较多的出水，通过倒极的方式，略偏酸性的出水同样会使有微量结垢现象的垢体溶解掉。

电吸附工作再生出水浓度曲线图图5 电吸附工作再生出水浓度曲线图54． 主要性能指标参数与运行工况电导率μS/cm10分钟电吸附除盐的主要性能指标（1）含盐量：1000～5000μS/cm（25℃）（在要求不严格的情况下，总含盐量也可以通过电导率仪测量电导率来表示）（2）除盐率：0-95%（可调）（4）产水率：一般情况下75%，有特殊要求可达85%（4）单位能耗：1~2kWh/m3运行参数及运行工况电吸附装置的主要运行参数和工况条件包括工作电压、流量和给水含盐量。

（1）工作电压电吸附过程是双电层在电场作用下的对离子的吸附，给电极加上一定的电势差后，界面双电层被进一步强化，电极表面由自由电子形成的电荷密度增大，就必然从溶液中吸附更多的离子以中和这一过程。

随着电压的上升双电层变得紧密，吸附量增加，但同时又会引起副反应，使得能耗增加，因此选择合适的工作电压，既有利于充分发挥电吸附的吸附特性，获得较好的去除效果，同时能耗又较低。

另外，短时间过压一般不会使装置产生严重影响，但长时间过压会产生电解现象，产生的气体使电极材料的性能受到影响。

在实际应用中，可以根据电极材料厚度、通道宽度等特征来控制加压范围在1.5V－3.5V之间。