電吸附技術用于燃煤電廠微污染水除鹽實驗研究

柴晉

(國家能源集團新能源技術研究院,北京 102209)

《水污染防治行動計劃》的發布對各類水體污染的治理提出了嚴格的要求,多項標準進一步趨嚴,一些重點區域禁止污水排放[1]。國家“十三五”規劃進一步嚴控水資源使用,要求工業生產盡可能回收和循環使用生產過程產生的廢水。2022年6月,生態環境部發布《火電建設項目環境影響評價文件審批原則(征求意見稿)》[2],明確廢污水分類收集和處理方案,按照“一水多用”的原則強化水資源的梯級、循環使用要求,提高水重復利用率,鼓勵廢污水循環使用不外排。

燃煤電廠的微污染水主要由循環冷卻排污水、鍋爐清洗水、機組冷卻水等組成,而燃煤電廠系統的補充水量占總用水量的50%以上,該系統的排污水量大,含鹽量高,具有較高硬度和堿度,但同時回用標準要求不高[3]。因此,提高微污染水的濃縮倍率,提高微污染水的回用率是燃煤電廠微污染水節能減排的核心問題。

常用于電廠微污染水的脫鹽技術主要包括蒸餾、離子交換、電滲析、反滲透等除鹽技術[4-8]。電吸附除鹽技術屬于電化學除鹽技術的一種,與上述其他脫鹽方法相比,該技術制水成本低廉,電極成本低、能耗低、無需藥劑添加。同時,電吸附技術目前還存在電極吸附容量低、電極材料價格貴、重復利用率低等問題[8-9]。因此,合成篩選出適用于不同水質條件的電極吸附材料,優化運行參數,提高電極材料性能,是電吸附除鹽技術成功應用的關鍵。張繼衛等[10]采用活性炭纖維為電極材料來制備活性炭纖維電極對含鹽溶液進行除鹽研究并獲取最佳實驗工況,去除效率為61.54%;Zhu等[11]制備了氧化石墨烯電極,吸附容量達14.4 mg/g;Kumar等[12]將炭氣凝膠材料用于電吸附實驗,吸附容量最高為10.54 mg/g。

以活性炭作為電極材料,對電吸附技術用于燃煤電廠微污染水的除鹽效果開展實驗研究,探究關鍵因素對鹽分吸附速率和吸附量的影響,為電吸附技術在燃煤電廠微污染水除鹽的實際應用中提供理論依據。

1 實驗原理及實驗系統

圖1為電吸附實驗系統圖,原水池中的水經過水泵,從下端進入電吸附模塊,在電場力的作用下,原水中的陰陽離子分別向帶相反電荷的電極遷移,被該電極吸附,隨著電極吸附帶電粒子的增多,帶電粒子在電極表面富集濃縮,最終實現與水的分離,原水中的溶解性鹽滯留在電極表面,產生的淡水從模塊上端流出,進入淡水池,完成吸附過程;當電導率儀測定的出水電導率與進水電導率相等時,電吸附材料吸附容量飽和,此時將電源反接或斷開電源,將淡水池的水引出,通入電吸附模塊,被吸引的離子重新釋放,形成濃水,完成脫附再生過程。濃水在濃水池中貯存,最終進入脫硫系統隨脫硫廢水一起進行零排放處理。

圖1 實驗原理及實驗系統

2 影響因素實驗研究

2.1 電壓對活性炭電吸附除鹽的影響

設置初始NaCl溶液濃度為500 mg/L,流速為10 mL/min,調整電壓分別為0.4,0.8,1.2,1.5 V在室溫下進行電吸附實驗,同時,設置電壓為0 V為對照組。測得電導率變化并計算電吸附容量,結果如圖2所示。

圖2 電壓對電吸附速率和吸附量的影響

從圖2(a)中可以看出,在電吸附過程開始后,NaCl溶液的電導率迅速下降,之后降幅變緩,最終穩定在某一數值上,并且在不同電壓條件下都呈現出相同的變化趨勢。這是由于在電吸附模塊開始的初始階段,活性炭材料內部的具有大量可供離子占據的吸附位點,這段時間吸附速率極快,而運行一段時間后,部分孔隙已被帶相反電荷的離子所占據,吸附電位減少,同時在電極材料上形成了雙電層,對離子的吸附能力減弱,再加上同性電子的排斥作用,離子的吸附速率逐漸放緩,最終活性炭材料的吸附達到飽和,電導率穩定在某一值上。從0 V對照組的吸附曲線可以看出,不施加電壓時,電極上的活性炭材料自身也有一定的吸附效果,在極板上施加電壓后可以顯著提高除鹽效果,這說明電吸附除鹽主要是外加電場的吸附作用,其次是材料本身的吸附作用。

從圖2(b)中可以看出,隨著電壓的增大,電極材料的吸附容量先增大,在1.2 V時達到最大值33.818 4 mg/g,之后隨著電壓的增大,電吸附容量減小。這是因為在達到極值1.2 V之前,隨著電壓的增大,外加電場的吸附作用增強,雙電層厚度不斷增大,吸附容量增大。在1.2 V之后,由于施加的電壓過大,將溶液電解,發生了法拉第過程[13],產生的氣體降低了雙電層的吸附能力。

在實際應用過程中,適當提高施加在電吸附模塊上的電壓有利于提高電吸附效率,但過高的電壓會降低除鹽率,浪費能源,本實驗條件下的最佳電壓為1.2 V。

2.2 流速對電吸附除鹽的影響

設置恒定電壓1.2 V,NaCl溶液濃度為500 mg/L,調整流速分別為2,4,6,8,10 mL/min在室溫下進行電吸附實驗,測得電導率變化并計算電吸附容量,結果如圖3所示。

圖3 流速對電吸附速率和吸附量的影響

分析圖3可知,隨著流速的增大,電吸附容量呈現先增加后減少的趨勢,在10 mL/min時達到峰值33.818 4 mg/g。其原因是,在保持電壓和濃度不變的條件下,流速越大,在相同時間內到達極板的離子總量越大,雙電層吸附的離子數越多。但流速過高時,過快的流速會使離子在吸附模塊中的停留時間縮短,還可能沖刷已經吸附在電極材料上的部分離子,影響電吸附效率。

在實際應用過程中,應控制溶液在吸附模塊中的流速在合理范圍,流速太小,設備能耗提高,流速太大,影響吸附效率,本實驗條件下的最佳流速為10 mL/min。

2.3 濃度對電吸附除鹽的影響

設置恒定電壓1.2 V,流速為10 mL/min,100 mL NaCl溶液質量濃度分別為100,300,500,700,1 000 mg/L,在室溫下進行電吸附實驗,測得電導率變化并計算電吸附容量,結果如圖4所示。

圖4 濃度對電吸附速率和吸附量的影響

分析圖4(a)可知,隨著電吸附時間的延長,溶液的電導率會不斷下降直至平衡,而且其在開始的200 s內下降最快。同時,初始離子濃度越高,電導率的降幅越大,這是因為溶液中的電阻隨著離子濃度的增大而降低,使得溶液中的離子在外加電場內的遷移阻力變小,更容易到達極板并吸附在雙電層上。

從圖4(b)可以看出,隨著初始離子濃度的增大,電吸附容量不斷增大,這是因為溶液的導電能力隨著濃度增大而提高,同時,鹽濃度的提高,意味著單位時間內溶液中的離子總量增加,在電極材料吸附能力范圍內的吸附總量提高。

實際應用過程中,由于電極材料的吸附能力存在上限,當離子濃度超出其吸附能力后,即使繼續提高濃度,也無法使電吸附容量增大,反而會降低電吸附模塊的除鹽率,因此,電吸附技術適用于處理微污染水質,但在脫硫廢水等惡劣的高鹽條件下除鹽效果有限。

3 結論

本文以活性炭作為電極材料,對電吸附技術用于燃煤電廠微污染水的除鹽效果開展實驗研究,探究關鍵因素對鹽分吸附速率和吸附量的影響,得出如下結論:

(1)隨著電壓的增大,電極材料的吸附容量先增大后減小,在1.2 V時達到最高。在實際應用過程中,適當提高施加在電吸附模塊上的電壓有利于提高電吸附效率,但過高的電壓會降低除鹽率,浪費能源。

(2)隨著流速的增大,電吸附容量先增加后減少,在10 mL/min時達到峰值。在實際應用過程中,應控制溶液在吸附模塊中的流速在合理范圍,流速太小,設備能耗提高,流速太大,影響吸附效率。

(3)隨著初始離子濃度的增大,電吸附容量不斷增大,但電極材料的吸附能力存在上限,當離子濃度超出其吸附能力后,即使繼續提高濃度,也無法使電吸附容量增大,反而會降低電吸附模塊的除鹽率。