板式活性炭纤维电极电容吸附去离子研究

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近年来,随着我国经济的快速发展,含盐废水的产生量和途径越来越多,同时针对含盐废水的处理方法也层出不穷。电容吸附去离子技术是近年来逐渐发展起来的一种除盐新技术,因其节能节水、无二次污染、经济环保、适应性强和操作维护简单等优点而具有较好的应用前景。  目前关于电容吸附去离子技术的研究和应用的相关报道不多,究其原因,离子的吸附率成为此技术的瓶颈。其原理是:利用带电电极表面吸附水中离子及带电粒子,使水中溶解盐类及其它带电物质在电极表面富集浓缩而实现水的净化/淡化。本研究采用活性炭纤维作为电极材料,以NaC1溶液为人工模拟含盐废水,通过自行设计制作电容吸附装置考察了其在工业中水回用和尾水深度除盐领域的可行性。同时在传统板式电容吸附装置基础上增加了“折返式流道”结构,并采用硝酸浸渍、氢氧化钾浸渍和微波处理三种方法对活性炭纤维电极进行改性处理,以达到提高离子吸附率的目的,为其工程化应用提供技术参考。本研究内容主要包括四部分:影响因素的研究、不同价态阳离子的吸附试验、脱盐效果的强化试验以及小型ACF电容吸附产水率和能耗计算试验。  通过单因素试验和正交试验分析方法,研究了电容吸附去离子技术的影响因素,确定了电压、电极板间距、流量和进水质量浓度的最佳运行参数值。结果表明,在一定的范围内,间距越小,电压越大,进水流量越小,进水NaCl质量浓度越低,离子吸附效果就越好。最佳参数值确定:间距1mm、电压2.0V、流量10ml/min、进水NaCl溶液质量浓度为500mg/L,离子吸附率为41.61%,产水率在72.00%以上,效果达到预期目标。同时在极板间距为1mm下,各因素的影响程度:进水质量浓度>电场强度>进水流量。  试验研究分析了活性炭纤维电极对三种不同价态阳离子Na+、Ca+、Mg2+、Fe3+的吸附效果。结果表明:离子半径越小,离子价态越高,吸附效果越好。在相同吸附面积条件下,离子的半径越小,吸附的离子数量就越多,从而离子的吸附率就越高。同时离子价态越高,离子所带电荷越大,离子所受电场力越强,离子吸附到电极表面的时间就越短,吸附效果越好。各价态阳离子的吸附强度大小:Fe3+>硬度阳离子(Mg2+、Ca2+)>Na+,通过试验可以发现,活性炭纤维电极对硬度阳离子也有较好的吸附效果,且无结垢现象,在水体“软化”方面具有较好的应用前景。  试验采用多电极对串联、活性炭纤维电极改性对电容吸附装置进行完善和改进。结果表明,采用多电极对串联的方法在增大离子吸附面积的条件下,离子的吸附率明显提高,但是最终离子的吸附量没有太大的改变。从经济性考虑,此方法适合应用于出水水质要求较高的场所,通过增大离子吸附面积的方式来达到降低出水电导率的效果。试验采用三种不同的方法对电极进行改性处理:硝酸浸渍法、氢氧化钾浸渍法和微波处理法。结果表明,氢氧化钾浸渍改性效果最好,离子吸附率和离子吸附量分别为46.57%、9.51mg/g,离子的吸附效果有一定程度的提高。  小型ACF电容吸附产水率和能耗计算试验。建立了一套小型的ACF电容吸附模型,在进水NaC1质量浓度为500mg/L,电导率为1000μs/cm,溶解性总固体(TDS)为700mg/L条件下,进行三次连续离子吸附处理,出水电导率达到27μs/cm,出水TDS为19mg/L,能耗为0.67kwh/t,产水率为72.00%,出水基本达到纯水水质要求,为后续的试验和工程放大提供了技术支撑。
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