高浓度反渗透浓水循环利用设备

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一、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，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。

                                                                                       （3-4）

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。

二、电吸附的工艺流程

工艺流程分为三个步骤：工作流程，再生流程和排污流程。

工作过程：原水贮藏在原水池中，与此同时酸溶液也通过计量泵同步连续地加入原水池，经过曝气后原水通过提升泵被提升进入精密过滤器，大于10μm的残留固体悬浮物在此道工序被截流，水再被送入电吸附（EST）模块A。水中溶解性的盐类被吸附，水得到除盐净化。

再生过程：就是模块的反冲洗过程，用原水冲洗经过短接静置的模块，使电极再生。反冲洗后的水被送入中间水池，进入中水池的水等待下一个周期排污用。

排污过程：排污过程其本质和再生一样，是模块的一个反冲洗程序，但水源有区别，排污过程用的是中间水池的水，即再生之后的浓水，这是一个有效的节水过程，因为经过再生之后的浓水尚未达到饱和，所以用再生后产生的浓水再次冲洗模块，就节省了冲洗过程中的用水量，从而提高了得水率。

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   由于电吸附脱盐装置采用通道式结构（通道宽度为毫米级），因此不易堵塞。对前处理要求相对较低，因此可降低投资及运行成本。

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模块采用了高效功能材料作为电极，该电极材料不但除盐效果好，而且具有化学性质高度稳定、耐酸、耐碱、耐腐蚀、抗氧化等特点，这使得电吸附除盐装置具有对来水水质约束小、抗污染、设备可靠、运行稳定等优点。

这种高效功能材料属于惰性的多孔无机物质，比表面大，且在电吸附运行中还有一定量的初生活性氧化基团产生，对原水中的有机物具有一定的去除效果，扩大原水水质约束范围。经过适当的预处理，原水就可以进入EST模块，即使在预处理上出一些问题，如遇到包含少量油污在内的有机物污染，也不会使电吸附材料受到大的危害，仍能保证相对较高的除盐率。因此，在这种情况下，可以在半年甚至一年的长期运行后，利用酸洗或碱洗的方式对电极材料进行清洗恢复。

停机期间，无需对核心部件作特别保养，维护方便。

微通道设计

电吸附除盐装置采用微通道式设计（通道宽度为毫米级），水流是在宏观通道中运动的，因此少量悬浮物和有机物不会污堵设备。对前处理要求相对较低，而且可以大大提高得水率，一般情况下可达75%以上，如有特殊需要，部分浓水经回收再处理工艺，可使系统得水率达到85%以上。

设备集成度高，实行智能化控制

电吸附除盐技术的开发依据于水力学、电化学、机械学、电子控制学等理论。系统采用模块化设计，各个环节在控制计算机的集中控制下形成整个系统。所有的执行机构、检测仪表等均由计算机按设定程序实现操作，正常运行时不需人工干预。

绿色技术节能、环保

由于电吸附除盐技术利用了双电层电容静电吸附的原理，工艺运行过程中不需添加缓蚀剂、阻垢剂、还原剂之类的药剂，系统所排放的浓水均来自于原水，所以系统不会产生新污染物。这既节约了运行成本，又避免了二次污染。另外，与其他技术相比，电吸附技术属于常压操作，提升能耗少，其主要的能量消耗在使离子发生迁移，并通过控制电压使电极表面不发生极化现象，同时工作时所储存的电能可以在再生时回收一部分，因此，总体能耗较低。

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适应性好，应用领域广泛

电吸附除盐技术对进水水质要求不高，并且可以根据电压调节来控制除盐率在60%－90%的范围内变化。因此，拓展了电吸附技术的适用领域。电吸附可以被广泛应用于饮用水、废水、污水处理等方面，包括冶金、化工、电子、电力、制药、纺织、造纸等工业领域。对于那些污染较重，不需要*除盐的场合来说电吸附不失为一种良好的选择。