负载三氧化二铝的活性炭纤维电吸附除盐研究

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当前,随着中国经济的持续发展和人民生活质量的提高,水环境污染状况引起了高度关注。其中,高含盐废水问题困扰人们已久。有些传统的除盐方法,如多效蒸发、膜分离法等,耗能较多,处理设备成本大;有些处理技术还可能引起二次污染,如离子交换法等。另外海水的脱盐淡化也是解决我国水资源短缺和分布不均的新途径,开发绿色环保、高效节能的除盐新技术迫在眉睫。  近来,电吸附除盐技术因其能耗小、运行成本低、再生时无污染等特点,在海水淡化和苦咸水脱盐等领域引起了关注。电吸附除盐技术的原理与电容器相似,利用电场的作用在电极表面和内部孔隙形成双电层,充电时储存大量的带电离子,放电时释放离子。  本文针对电吸附除盐中活性炭纤维电极的选择性不高、处理效率较低等缺点,对活性炭纤维进行负载Al2O3改性。Al2O3具有较强吸附性,将Al2O3负载于ACF上可以提供更多吸附位点,增强ACF电极的电吸附除盐能力。  实验采用浸渍煅烧法对活性炭纤维进行负载Al2O3的改性,通过与前人研究的几种典型活性炭纤维改性方式进行对比,凸显了Al2O3改性方式的优势,并对负载前后的理化性能和电化学性能进行研究,实验结果表明:Al2O3-ACF相比TiO2-ACF,KOH-ACF和HNO3-ACF优势显著,负载Al2O3后活性炭纤维电吸附除盐性能得到极大增强,除盐能力为改性前的2.68倍,且电极仍然具备很好的再生性。活性炭纤维表面由于出现了絮状和颗粒状的Al2O3,比表面积减小,中孔增加,孔径分布更加合理,比电容提高了2.1倍。  对电吸附除盐中影响因素的研究表明,在静态实验中,最佳操作条件为电压为2V,极板距离为1cm,溶液浓度为500mg/L,溶液种类为NaCl溶液,此时除盐效率可达到64.6%,比吸附量为1.25mg/cm2;在动态实验中,最佳操作条件为电压为2V,极板距离为1cm,溶液浓度为500mg/L,溶液种类为NaCl溶液,进水流量为2ml/min,此时除盐效率为39.69%,增加循环次数将持续提升除盐效率。  吸附动力学和吸附热力学拟合结果表明,Al2O3-ACF电吸附过程更适合用准一级反应动力学模型来描述,此时认为吸附的限制因素为传质阻力,在2V条件下,电极吸附速率虽然比物理吸附小,但是平衡吸附量增加了13.8倍;电压越高,离子在电极表面呈现多层吸附的趋势越明显,Al2O3-ACF的电吸附过程更适用于Freundlich多分子层吸附模型。  本文利用处理模拟盐水的最佳参数,进一步对重金属离子的去除、自来水的提纯和实际废水的处理进行了探索,结果表明,Al2O3-ACF在重金属离子的去除,自来水提纯和实际含盐有机废水的处理中效果显著,对实际工业生产中放大化装置和大规模设计应用具有一定指导意义。
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