活性炭纖維電極電吸附除鹽的試驗研究

馬愛鵬李福勤王翠

（1.河北工程大學城市建設學院，河北 邯鄲 056038；2.邯鄲市建筑設計研究院，河北 邯鄲 056004）

目前國內外工業應用的除鹽方法主要有膜分離法（電滲析和反滲透）、離子交換和蒸餾法等，每種方法都有一定的適用范圍和優缺點，因此，新的除鹽方法在不斷的開發中。電吸附就是一種新型的除鹽技術，其工作原理是在外加電場作用下，溶液和電極的交界面上形成一雙電層，通過靜電力作用將溶液中的離子儲存在雙電層中，而電場一旦撤銷，被吸附的離子又會返回到溶液中，使電極得到再生[1-3]。電吸附除鹽與現行的除鹽法相比具有以下優點：與電滲析和反滲透相比，電吸附不需要膜，更容易操作[4]；與離子交換相比，電極不需要酸、堿再生，所以減少了二次污染[5]；與蒸餾相比，電吸附所需要的能耗更低[6]。所以電吸附技術被廣泛關注，并開展了諸多領域的應用研究[7-9]。

1 材料及方法

1.1 活性炭纖維電極的制備

采用遼寧森鑫活性炭纖維廠生產活性炭纖維，厚度1mm，首先將活性炭纖維剪成31cm*12cm大小，放入純水中煮沸2小時，以去除其水溶性和揮發性物質，然后在純水中浸泡24小時，擠干水，在烘箱中120℃烘24小時以除表面雜質，即得活性炭纖維電極。

1.2 實驗裝置及分析方法

取兩塊活性炭纖維電極，中間由塑料網格隔開后一同置入用硅膠板做成的密封圈內，電極兩頭用導線與直流穩壓電源連接，電極外側加設如同電滲析的塑料電極極框，在極框兩端開設進出水孔，再由兩塊不銹鋼板壓緊，由此組成電吸附裝置(如圖1所示)。

圖1 試驗裝置結構圖

實驗用水為邯鄲自來水（電導率680-730μS/cm），試驗中采用DDS-11電導率儀測定產水電導率，電壓和電流分別在儀表上直接讀取。

2 試驗結果及分析

2.1 電壓對電吸附除鹽效果的影響。電極間距1mm，流速為0.56m/min，改變電壓，測定不同電壓對電吸附除鹽效果的影響，結果見圖2。從圖2中可知，隨著電壓的升高，電極對水中離子的吸附速率呈上升趨勢，在試壓范圍內，電壓6V時出水電導率最低，但是電壓過高時，水解離加劇，產生氧氣和氫氣，使電流效率下降，綜合考慮，電壓在2V時為最佳。

圖2 不同電壓下出水電導率隨時間的變化

2.2 電極間距對電吸附除鹽的影響。采用電壓為2V，流速為0.56m/min，改變電極間距，測定不同電極間距對電吸附除鹽效果的影響，結果見圖3。由圖3可知，當電極間距為1mm時出水電導率最低降至465μS/cm，而間距為3mm和4mm時出水電導率下降緩慢，這表明電極間距越小，離子遷移到雙電層的距離縮短，吸附速率加快，但過短的電極間距不利于水的流動，還可能導致電極短路，增加能耗，因此1mm為最佳。

圖3 不同間距下出水電導率的變化曲線

2.3 流速對電吸附除鹽的影響。采用電壓為2V，電極間距1mm，改變運行流速，實驗結果見圖4。由圖4可以看出，流速越小，出水電導率越低，這是因為水力停留時間長，可保證足夠的時間使得離子向雙電層遷移而不被水流帶走，而流速過快，大量離子來不及被吸附就被水流帶走，電吸附脫鹽效果差。雖然流速為0.35m/min可達到較高脫鹽效率，但是流速小時，電極間水力擾動小，傳質速度慢，吸附速率減慢，同時處理量也小，不經濟。綜合考慮，流速為0.56m/min較佳。

圖4 不同流速下平均出水電導率的變化曲線

2.4 流程長度對電吸附除鹽的影響。不同流程長度對電吸附除鹽的影響，可以轉化為循環次數對電吸附除鹽的影響，即每循環一次，流程增加30cm，采用的實驗條件為：電壓為2V，間距1mm，流速為0.56m/min，實驗結果見圖5。圖5中，隨著流程長度的增加，出水電導率降低，脫鹽效果越好，流程長度為210cm時，脫鹽效率接近80%，流程長度為330cm時，脫鹽率達到90%，此后繼續增加流程長度，除鹽率增加緩慢，說明流程長度在210-330cm較為合理。

圖5 不同流程長度下的除鹽率

結論。（1）自制活性炭纖維電極電吸附除鹽，最佳電壓為2V。（2）電極間距越小，離子遷移到雙電層的距離短，電吸附效果好，考慮水流阻力，1mm的間距較合適。（3）流速越小，水力停留時間越長，可以保證離子向雙電層遷移而不被水流帶走，脫鹽效果好，考慮經濟性，流速為0.56m/min最佳。（4）流程越長，出水電導率越低，當流程長度330cm時除鹽率達到90%以上，顯示了廣闊的應用前景。

[1] Park K K,Lee J B,Park P Y,et al.Development ofa carbon sheet electrode for electrosorptionDesalination [J].Desalination,2007,206:86-91.

[2] Zou L D,LI L X,Song H H ,et al.Usingmesoporous carbon electrodes for brackishwaterDesalination [J].Water Resarch,2008,42 （8 -9）:2340-2348.

[3]孫曉慰，朱國富.電吸附水處理技術（EST）的原理及構成[J].工業用水與廢水,2002,33(4):18-20.

[4]尹廣軍，陳福明.電容去離子研究進展[J].水處理技術,2003,29(2):63-66.

[5]Ahn H J, Lee J K, Jeong Y, et al. Nanostructuredcarbon cloth electrode for desalination fromaqueous solutions [J].Mater Sci Eng,2007,25:841-845.

[6]范麗，周艷偉，楊鳳林.碳材料用作電吸附劑的研究與進展[J].新型碳材料,2004,19(2):145-150.

[7]郭亞萍，全燮，陳碩，等.水中氯仿的活性炭電增強吸附[J].環境科學學報,2003,23（1）:84-87.

[8]Chen R,Hu X E.Electrosorption of thiocyanateanions on active carbon felt electrode in dilutesolution [J].Journal of Cobbiud and InterfaceScience,2005,290:190-195.

[9]Kitous O,Cheikh A,Lounici H, et al. Applicationof the electrosorption technique to removeMetribuzin pesticide [J].Journal of HazardousMaterials,2009,161:1035-1039.