柴晋

(国家能源集团新能源技术研究院,北京 102209)

《水污染防治行动计划》的发布对各类水体污染的治理提出了严格的要求,多项标准进一步趋严,一些重点区域禁止污水排放[1]。国家“十三五”规划进一步严控水资源使用,要求工业生产尽可能回收和循环使用生产过程产生的废水。2022年6月,生态环境部发布《火电建设项目环境影响评价文件审批原则(征求意见稿)》[2],明确废污水分类收集和处理方案,按照“一水多用”的原则强化水资源的梯级、循环使用要求,提高水重复利用率,鼓励废污水循环使用不外排。

燃煤电厂的微污染水主要由循环冷却排污水、锅炉清洗水、机组冷却水等组成,而燃煤电厂系统的补充水量占总用水量的50%以上,该系统的排污水量大,含盐量高,具有较高硬度和碱度,但同时回用标准要求不高[3]。因此,提高微污染水的浓缩倍率,提高微污染水的回用率是燃煤电厂微污染水节能减排的核心问题。

常用于电厂微污染水的脱盐技术主要包括蒸馏、离子交换、电渗析、反渗透等除盐技术[4-8]。电吸附除盐技术属于电化学除盐技术的一种,与上述其他脱盐方法相比,该技术制水成本低廉,电极成本低、能耗低、无需药剂添加。同时,电吸附技术目前还存在电极吸附容量低、电极材料价格贵、重复利用率低等问题[8-9]。因此,合成筛选出适用于不同水质条件的电极吸附材料,优化运行参数,提高电极材料性能,是电吸附除盐技术成功应用的关键。张继卫等[10]采用活性炭纤维为电极材料来制备活性炭纤维电极对含盐溶液进行除盐研究并获取最佳实验工况,去除效率为61.54%;Zhu等[11]制备了氧化石墨烯电极,吸附容量达14.4 mg/g;Kumar等[12]将炭气凝胶材料用于电吸附实验,吸附容量最高为10.54 mg/g。

以活性炭作为电极材料,对电吸附技术用于燃煤电厂微污染水的除盐效果开展实验研究,探究关键因素对盐分吸附速率和吸附量的影响,为电吸附技术在燃煤电厂微污染水除盐的实际应用中提供理论依据。

1 实验原理及实验系统

图1为电吸附实验系统图,原水池中的水经过水泵,从下端进入电吸附模块,在电场力的作用下,原水中的阴阳离子分别向带相反电荷的电极迁移,被该电极吸附,随着电极吸附带电粒子的增多,带电粒子在电极表面富集浓缩,最终实现与水的分离,原水中的溶解性盐滞留在电极表面,产生的淡水从模块上端流出,进入淡水池,完成吸附过程;当电导率仪测定的出水电导率与进水电导率相等时,电吸附材料吸附容量饱和,此时将电源反接或断开电源,将淡水池的水引出,通入电吸附模块,被吸引的离子重新释放,形成浓水,完成脱附再生过程。浓水在浓水池中贮存,最终进入脱硫系统随脱硫废水一起进行零排放处理。

图1 实验原理及实验系统

2 影响因素实验研究

2.1 电压对活性炭电吸附除盐的影响

设置初始NaCl溶液浓度为500 mg/L,流速为10 mL/min,调整电压分别为0.4,0.8,1.2,1.5 V在室温下进行电吸附实验,同时,设置电压为0 V为对照组。测得电导率变化并计算电吸附容量,结果如图2所示。

图2 电压对电吸附速率和吸附量的影响

从图2(a)中可以看出,在电吸附过程开始后,NaCl溶液的电导率迅速下降,之后降幅变缓,最终稳定在某一数值上,并且在不同电压条件下都呈现出相同的变化趋势。这是由于在电吸附模块开始的初始阶段,活性炭材料内部的具有大量可供离子占据的吸附位点,这段时间吸附速率极快,而运行一段时间后,部分孔隙已被带相反电荷的离子所占据,吸附电位减少,同时在电极材料上形成了双电层,对离子的吸附能力减弱,再加上同性电子的排斥作用,离子的吸附速率逐渐放缓,最终活性炭材料的吸附达到饱和,电导率稳定在某一值上。从0 V对照组的吸附曲线可以看出,不施加电压时,电极上的活性炭材料自身也有一定的吸附效果,在极板上施加电压后可以显著提高除盐效果,这说明电吸附除盐主要是外加电场的吸附作用,其次是材料本身的吸附作用。

从图2(b)中可以看出,随着电压的增大,电极材料的吸附容量先增大,在1.2 V时达到最大值33.818 4 mg/g,之后随着电压的增大,电吸附容量减小。这是因为在达到极值1.2 V之前,随着电压的增大,外加电场的吸附作用增强,双电层厚度不断增大,吸附容量增大。在1.2 V之后,由于施加的电压过大,将溶液电解,发生了法拉第过程[13],产生的气体降低了双电层的吸附能力。

在实际应用过程中,适当提高施加在电吸附模块上的电压有利于提高电吸附效率,但过高的电压会降低除盐率,浪费能源,本实验条件下的最佳电压为1.2 V。

2.2 流速对电吸附除盐的影响

设置恒定电压1.2 V,NaCl溶液浓度为500 mg/L,调整流速分别为2,4,6,8,10 mL/min在室温下进行电吸附实验,测得电导率变化并计算电吸附容量,结果如图3所示。

图3 流速对电吸附速率和吸附量的影响

分析图3可知,随着流速的增大,电吸附容量呈现先增加后减少的趋势,在10 mL/min时达到峰值33.818 4 mg/g。其原因是,在保持电压和浓度不变的条件下,流速越大,在相同时间内到达极板的离子总量越大,双电层吸附的离子数越多。但流速过高时,过快的流速会使离子在吸附模块中的停留时间缩短,还可能冲刷已经吸附在电极材料上的部分离子,影响电吸附效率。

在实际应用过程中,应控制溶液在吸附模块中的流速在合理范围,流速太小,设备能耗提高,流速太大,影响吸附效率,本实验条件下的最佳流速为10 mL/min。

2.3 浓度对电吸附除盐的影响

设置恒定电压1.2 V,流速为10 mL/min,100 mL NaCl溶液质量浓度分别为100,300,500,700,1 000 mg/L,在室温下进行电吸附实验,测得电导率变化并计算电吸附容量,结果如图4所示。

图4 浓度对电吸附速率和吸附量的影响

分析图4(a)可知,随着电吸附时间的延长,溶液的电导率会不断下降直至平衡,而且其在开始的200 s内下降最快。同时,初始离子浓度越高,电导率的降幅越大,这是因为溶液中的电阻随着离子浓度的增大而降低,使得溶液中的离子在外加电场内的迁移阻力变小,更容易到达极板并吸附在双电层上。

从图4(b)可以看出,随着初始离子浓度的增大,电吸附容量不断增大,这是因为溶液的导电能力随着浓度增大而提高,同时,盐浓度的提高,意味着单位时间内溶液中的离子总量增加,在电极材料吸附能力范围内的吸附总量提高。

实际应用过程中,由于电极材料的吸附能力存在上限,当离子浓度超出其吸附能力后,即使继续提高浓度,也无法使电吸附容量增大,反而会降低电吸附模块的除盐率,因此,电吸附技术适用于处理微污染水质,但在脱硫废水等恶劣的高盐条件下除盐效果有限。

3 结论

本文以活性炭作为电极材料,对电吸附技术用于燃煤电厂微污染水的除盐效果开展实验研究,探究关键因素对盐分吸附速率和吸附量的影响,得出如下结论:

(1)随着电压的增大,电极材料的吸附容量先增大后减小,在1.2 V时达到最高。在实际应用过程中,适当提高施加在电吸附模块上的电压有利于提高电吸附效率,但过高的电压会降低除盐率,浪费能源。

(2)随着流速的增大,电吸附容量先增加后减少,在10 mL/min时达到峰值。在实际应用过程中,应控制溶液在吸附模块中的流速在合理范围,流速太小,设备能耗提高,流速太大,影响吸附效率。

(3)随着初始离子浓度的增大,电吸附容量不断增大,但电极材料的吸附能力存在上限,当离子浓度超出其吸附能力后,即使继续提高浓度,也无法使电吸附容量增大,反而会降低电吸附模块的除盐率。