華北電力大學馬雙忱教授：電吸附技術在電力行業廢水處理中的應用

2023-05-17 10:33:59

摘要：

摘要：傳統的廢水處理技術面臨著系統繁雜，運行費用高、易結垢和腐蝕等問題，因此需要采用一種一體化的多功能耦合系統，兼顧除鹽、防垢等功能，用以除去廢水中的污染物。電吸附技術是一種可實現水的凈化、淡化的新型水處理技術，可在低能耗的前提下有效去除水中的雜質離子而不結垢。綜述了電吸附理論的發展沿革、電吸附原理和雙電層理論要點、電吸附結構及其工作流程等，介紹了幾種主要的電吸附材料及其優缺點。基于日趨嚴格的環保要求，電吸附技術以其低能耗、低成本、無二次污染等優勢，可望在電力行業得到較廣泛的應用。

關鍵詞:電吸附；電力行業；廢水處理；應用進展

0 引言

我國水資源較為豐富，但由于人口基數大，人均淡水資源占有量僅為世界人均淡水資源占有量的1/4，是全國13個水資源緊缺國家之一[1]。電廠耗水量大，每年廢水的排放量巨大，若直接排放未達標的廢水，會污染土壤、地表水和地下水等，危害人類健康。2015年，國務院發布了《水污染防治行動計劃》(即“水十條”)[2]，明確提出全面控制水污染物排放；2018年修編的《發電廠廢水治理設計規范》對水收集和貯存等設施的相關設計提出了要求，采取廢水零排放處理。

火電廠廢水的水質、水量差異大，廢水中的污染物以無機物為主，且間斷性排水較多。電廠中的廢水主要包括脫硫廢水、設備沖洗排水、沖灰廢水和含油廢水等，廢水處理方法一般為曝氣氧化、酸堿中和與混凝澄清。在正式開始實施的《火電廠污染防治可行技術指南》中，明確針對脫硫廢水制訂了具體的處理方法，并在廢水近零排放技術中強調，除脫硫廢水外，各類廢水經處理后基本能實現“一水多用，梯級利用”、廢水不外排，因此，實現廢水近零排放的重點是實現脫硫廢水零排放[3]。近年來，電吸附技術(Electro adsorption technology，EST)，又稱電容去離子技術(Capacitance deionization，CDI)引起了廣泛關注[4]。本文綜述了電吸附的發展沿革，介紹了電吸附原理、結構、吸附材料及發展趨勢。

1 電吸附技術

電吸附技術是利用帶電電極表面吸附水中離子及帶電離子，使水中物質在電極表面濃縮富集，從而實現高效、節能的低鹽或中鹽水淡化技術[5]。電吸附過程分為吸附過程和脫附過程2部分，其原理如圖1所示[6]。處理水通過多孔電極時，會受到系統施加的電場力，當電極上的帶電電荷進入溶液中時，溶液中的離子被重新分布與排列；同時，在庫侖力作用下，帶電電極與溶液界面被反離子占據，界面剩余電荷的變化會引起界面雙層電位差的變化，從而在電極和電解質界面形成致密的雙電層(Electric double layer,EDL)[7]。溶液中陰陽離子逐漸遷移到極性相反的電極板上，離子被吸附在材料表面，達到脫除污染物的目的。隨著反應的進行，吸附在電極表面的離子達到飽和，需對吸附材料進行脫附再生[8]。一般采取極性對調或短路的方式進行脫附，使吸附在材料表面的離子通過電場的排斥作用被釋放到溶液中，最終生成濃水排出，實現脫附[9]。

圖1 電吸附與脫附原理示意[6]

Fig.1 Schematic diagram of electrical adsorption and desorption[6]

2 電吸附基本理論

2.1 電極吸附材料

吸附材料以碳材料為主，具有吸附容量大、再生效果好、低價易得等優點[10]。常用的電極材料包括活性炭、石墨烯、碳氣凝膠等[11]。優良的電極吸附材料應具有較大的比表面積、正常工作時具有良好的化學穩定性、離子在孔徑中的遷移率高、電子在電極材料內具有很好的傳導性、多孔電極和集電器之間的接觸電阻低、良好的潤濕性、低成本和可擴展性、良好的可加工性、較大的比表面積、高生物惰性[12]。

1)活性炭和活性炭布

活性炭(Activated carbons,ACs)是使用最廣泛的多孔碳，其用途已在20世紀六七十年代電容去離子技術早期研究中得到證實。由樹脂衍生的丙烯酸酯(ACs)可用于珠狀、纖維或整料的合成，其他多數的ACs通常是微米級顆粒組成的粉末，如將聚丙烯腈(Polyacrylonitrile,PAN)和導電添加劑(炭黑)混合可制得微米碳纖維[13]。孔隙結構[14]是活性炭的最重要特征，通過提高總孔體積/比表面積的比值，可增大鹽吸附容量。

2)有序介孔碳

有序介孔碳(Ordered mesoporous carbons,OMCs)具有高度周期性的六角形或立方排列的介孔，可通過軟模板或硬模板得出。對于硬模板，如沸石或有序介孔二氧化硅，用碳前體滲透后碳化，最后化學除去初始模板(如使用氫氟酸)得到OMCs；軟模板是較新型的OMCs材料合成方法，其涉及三嵌段共聚物的自組裝和熱去除，最后留下的唯一固相碳保留了模板的有序多孔特征[15-16]。

3)碳氣凝膠

碳氣凝膠(Carbon aerogels,CAs)結合了5-磺基水楊酸(Sulphosalicylic acid,SSA)(比表面積通常為400～1 100 ㎡/g，最高達1 700 ㎡/g)[17]具有高導電率(25～100 S/cm)和低質量密度(<0.1 g/mL[18])等優點。大部分SSA與中間孔隙(介孔)有關，根據不同的合成條件，也可能存在與顆粒內孔隙度相關的微孔[19]，其比表面積從10 m2/g或更低，到超過600 m2/g[20]。與乙酸纖維相比，基于碳干凝膠的電容去離子電極，合成后的初始孔隙率顯著降低[21]。碳氣凝膠和干凝膠在介孔范圍內的孔徑對于離子存儲最佳，因為電雙層不重疊[22]且介孔尺寸便于離子傳輸。因此適用于CDI應用。

4)碳化物衍生的碳

與ACs不同，碳化物衍生的碳(Carbide-derived carbons,CDCs)只有極窄分布的微孔，沒有介孔，與OMCs不同，CDCs中的小孔未以一種或多種方式排列。CDCs采用高溫(200 ℃)下干燥氯氣中通過蝕刻碳化物粉末生成，氯處理后進行氫氣退火除去殘留的氯化合物，生成的SSA比表面積在1 200～2 000 ㎡/g，活化后增至3 200 ㎡/g[23]。目前，來自碳化鈦(TiC-CDC)的CDCs的CDI容量已被開發為孔徑小于1 nm的純微孔材料[24]，其前微孔是限制離子傳輸的主要因素。

5)碳納米管和石墨烯

碳納米管(Carbon nanotubes,CNTs)和石墨烯作為CDI電極材料，其表面區域均可進入，這主要是由于該區域位于材料外側，與ACs相反(幾乎整個吸附區域在顆粒內)。

6)炭黑材料

炭黑(Carbon black，CB)是具有低的比表面積(通常<120 ㎡/g)、高導電性的致密碳納米顆粒[25]，是常見的導電添加劑。將CB添加到由AC制成的CDI薄膜電極后，可顯著去除含有670、1 000 mg/L NaCl鹽水電解質中的鹽，但非常低的比表面積限制了純粹由CB顆粒組成電極的CDI性能。圖2為CDI材料的發展歷程。

圖2 CDI材料的發展歷程