房 睿，彭 亮

(1.新疆维吾尔自治区水文局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐 830000)

电吸附除盐性能的影响因素包括动力学因素和热力学因素，在设备的电极材料、结构、尺寸固定的条件下电吸附设备除盐性能主要受动力学因素影响。动力学因素包括对流、扩散、电迁移，而工作过程中对流作用决定于水的流量。工作过程中含盐水流经通电极板间的通道时，工作流量越大，对流作用越大，流体对离子产生的迁移作用越大。本文主要研究工作流量对电吸附设备除盐性能的影响，把不同工作流量下电吸附设备对盐类、氨氮等的去除率进行对比，综合分析得水率、能耗，确定适宜的工作流量。

1 试验方案

研究阶段实验用水水质为二级水质，原水电导率1 400～2 000 μS/cm，氯离子浓度173～240 mg/L，COD≈66 mg/L，氨氮浓度≤20 mg/L，pH≈7，总碱度主要表现为重碳酸盐碱度(265 mg/L)，重碳酸盐碱度过高易导致电吸附设备模块内部结垢[1]，所以在电吸附工艺前进行加酸曝气处理至碱度≈120 mg/L。运行期间，调整电吸附设备工作流量为300 L/h、500 L/h、700 L/h、900 L/h、1 100 L/h，通电工作时间为48 min，反洗流量控制在700 L/h，反洗时间为32 min。每种工况下稳定运行6个周期，以电导率(表征总含盐量)、氯离子、氨氮、COD为指标，取每个工况下各指标的平均去除率，综合分析得水率、能耗，确定适宜的工作流量。

得水率计算公式：

(1)

式中：η为得水率Q1为工作流量，t1为工作时间，Q2为反洗流量，t2反洗时间。

本章主要研究工作流量对电吸附设备去除中水中的盐类、氨氮的影响，电吸附设备工作过程中含盐废水流经电极板通道，在电场迁移力作用下储存于电极板材料中。在电吸附设备的电极材料、结构、尺寸固定时，设备吸附性能主要受动力学因素的影响，动力学因素包括对流、扩散、电迁移作用。工作过程中工作流量越大，对流作用越强，对流作用主要通过水力停留时间的长短影响吸附效果。

2 工作流量对水中盐离子去除效果的影响

工作流量主要通过影响待处理水在电吸附设备里的水力停留时间[2]，而影响设备对水中离子的去除效果，不同工作流量下设备对总含盐量、氯离子、钙离子、总硬度的去除效果如图1所示。

图1 工作流量对除盐效果的影响

图1 a为工作流量改变对TDS去除效果的影响图，图1 b为工作流量改变对氯离子去除效果的影响图，图1 c为工作流量改变对钙离子去除效果图，图1 d为工作流量改变对硬度去除效果的影响图。由以上各图可以看出，电吸附设备除盐过程中，流量对其有一定的影响，随着流量的增大，TDS、氯离子、钙离子、总硬度的去除率先略增大后降低，工作流量低于500 L/h除盐率在80%以上、氯化物的去除率在85%以上，工作流量小于700 L/h氯化物的去除率在80%左右；钙离子和总硬度的去除率在工作流量不超过900 L/h时去除率变化缓慢，可以保持在60%左右。从电吸附处理后出水水质可以看出，在工作流量不超过900 L/h时，出水中电导率<400 μS/cm、氯离子浓度<50 mg/L、钙离子浓度≈90 mg/L、总硬度≈120 mg/L，满足工业循环用水标准[3]。

由图2工作流量改变对各指标去除率影响的分析图可以看出，随着工作流量的增大，各指标的去除率先略增大后减小的现象[4]。由于工作流量增大，对流作用增强，流体对离子的迁移作用略增强，电极板吸附能力增大；之后去除率降低，电吸附设备除盐效果变差，由于随着工作流量的增大，本体溶液在电吸附设备内的水力停留时间减小，其水力停留时间小于盐离子从本体溶液中吸附到电极板所需时间，导致盐离子吸附不充分。其中工作流量对TDS的去除效果影响相对较明显，而随工作流量的增大钙离子、硬度去除率下降缓慢[5]。氯离子受水力停留时间影响较小，由于电极材料对极性盐离子吸附量较大，吸附过程不容易受到水力停留时间的影响，所以随着工作流量的增大氯离子去除率变化不大。

图2 工作流量对去除率的影响

3 工作流量对COD、氨氮去除效果的影响

电吸附对水中的化学需氧量、氨氮的去除主要依靠电极材料对带电有机粒子的吸附、催化作用，将其吸附或氧化而去除[6]。不同工作流量对COD、氨氮去除效果的影响如图3和图4所示。

图3 工作流量对COD、氨氮去除效果的影响

图4 工作流量对COD、氨氮去除率影响

图3a为工作流量对COD去除效果的影响图、图3b为工作流量对氨氮去除效果的影响图，由图3可以看出工作流量的改变对COD、氨氮的去除效果存在一定影响，工作流量不超过700 L/h时，电吸附设备对COD去除率在40%以上，对氨氮的去除率在60%左右；工作流小于700 L/h时电吸附出水COD浓度低于30 mg/L，氨氮浓度不超过5 mg/L，符合敞开式工业循环冷却水补水标准(10 mg/L)[7]。

图4为工作流量对COD、氨氮去除率的影响分析图可以看出在工作流量=300 L/h时氨氮去除达到70%左右，COD去除率可以达到60%以上，可能由于电吸附设备对COD、氨氮的去除作用包括吸附作用和氧化作用(在工作电压为1.5 V时在电极表面产生寿命短的e-1、·O2H、·O2、·OH等氧化性物质，他们可以加速氧化一些有机物)，在小流量时水力停留时间长吸附和氧化作用发挥较充分，增强了电吸附对COD、氨氮的去除效果[8]；在工作流量大于600 L/h时COD去除率变化趋势大于氨氮，是因为氨氮在pH≈7时主要以铵根离子的形式，设备对氨氮吸附量大于COD，氨氮的迁移不容易受到水力停留时间的影响所导致[9]。

4 工作流量对能耗及得水率的影响

水力停留时间影响电吸附设备的除盐效果可以改变工作流量的大小[10]，得水率、除盐率的改变也是通过改变工作流量的大小。多种工作流量对得水率、脱盐率的影响见图5，能耗的改变影响见图6。

图5 工作流量对得水率、脱盐率的影响

图6 工作流量对能耗的影响

由图5、图6可得出，在工作时间、反洗流量、反洗时间一定的情况下，随着工作流量的增大，得水率增大，最低流量时得水率=72%，最大流量时得水率在90%以上；随着工作流量增大，除盐率减小[11]，除盐率在75%到85%之间，可根据具体水质需求，调整工作流量；随着工作流量的增加，单位制水所需电量减少[12]。工作流量越小，经电吸附处理制得相同体积的低盐水所需时间越长，消耗的电量越大[13]。根据能耗、得水率、除盐率分析。根据数据图分析，综合考虑得水率、能耗、除盐率，暂定工作流量为500 L/h，在工作流量=500 L/h时能耗1.57 kWh/m3，得水率81.1%，除盐率85%。

5 反洗流量对电吸附工作各指标脱附率和其去除效果的影响

试验过程中控制工作流量为500 L/h，工作时间为48 min，反洗时间为32 min，反洗流量为300 L/h、400 L/h、500 L/h、600 L/h、700 L/h、800 L/h[14]，反洗过程中流量大小对模块极板的再生脱附效果有一定影响，通过分析反洗流量对盐的脱附率、设备的除盐效果，进而确定反洗流量对电吸附设备工作性能的影响。

由图7反洗流量对各指标脱附率及其去除率的影响图可以看出，图a中随着反洗流量的增大，总含盐量(以电导率表征水中的总含盐量)的脱附率逐渐增大，去除率和脱附率变化趋势一致，说明电吸附模块极板的再生效果直接影响模块的除盐性能；图b中氯离子的脱附率随着反洗流量的增大变化趋势平缓，去除率与脱附率变化趋势一致，由于氯离子属于极性盐离子易被电极板吸附，反之易从极板上脱附再生，在短接静置过程中从极板上脱附下来，受反洗流量的影响较小；图c、d中钙离子与总硬度的脱附率随着反洗流量增大先增大后减小，去除率在反洗流量大于600 L/h时与脱附率变化趋势出现差异，说明钙离子的吸附效果与钙离子特性及其在极板上的吸附情况有关；图e为水中COD的脱附率和去除率的关系，随着反洗流量的增大脱附率和去除率出现波浪形变化变化[15]，此现象与水中有机物的成分和其特性吸附(包括物理吸附和氧化作用)有一定关联；图f中氨氮的脱附率好去除率随着反洗流量的增大整体呈现增大的趋势，由于在水中pH小于9时水中的氨氮主要以铵根离子形式存在，氨氮与离子的脱附再生和去除效果变化趋势有相似性。

图7 反洗流量对各指标脱附率和去除率的影响

6 结语

本文研究电吸附工作流量的变化对去除水中盐类、氨氮、COD的效果，所得结论如下：

(1)在进水条件固定，工作时间、反洗流量和反洗时间等参数固定时，随着工作流量的增大各指标的去除率下降，可能由于溶液在极板间的水力停留时间减小，对盐离子的吸附不充分，导致随着工作流量增大除盐效果变差；在工作流量小于600 L/h除盐率在70%以上，工作流量小于700 L/h氯化物的去除率在75%以上，钙离子和总硬度的去除率在工作流量不超过900 L/h时去除率变化缓慢，可以保持在60%左右。在工作流量不超过900 L/h时，电吸附出水TDS≈500 μS/cm、氯离子浓度≈50 mg/L、钙离子浓度≈80 mg/L、总硬度≈120 mg/L，满足工业循环用水标准。工作流量越小，经电吸附处理制得相同体积的低盐水所需时间越长，消耗的电量越大。根据能耗、得水率、除盐率分析，在500～600 L/h时。根据数据分析，综合考虑得水率、能耗、除盐率，暂定工作流量为500 L/h，在工作流量=500 L/h时能耗1.57 kwh/m3，得水率81.1%，除盐率75%。

(2)反洗过程中的操作参数对极板的再生(盐离子的洗脱)有一定影响[16]，极板的洗脱再生效果影响下一周期的电吸附除盐效果。随着反洗过程的改变除盐、氯化物脱附率对其去除效果影响较大，反洗流量对TDS、氯化物洗脱率的影响不明显，可能由于极性盐离子比较容易脱附，断电静置过程离子从极板上脱附下来[17]。小流量长时间反洗效果与大流量短时间反洗效果一致；反洗过程对COD和氨氮脱附率、去除率的影响性可能与水中有机物的具体成分、氨氮的存在状态，及电吸附极板对COD、氨氮的去除作用包括吸附和氧化双重作用有关；综合考虑产水效率和电吸附的除盐性能，反洗操作参数可定为反洗流量为700 L/h、反洗时间为32 min。

(3)稳定运行阶段，电吸附除盐、氨氮、COD效果稳定，且出水的电导率在400 μS/cm左右，氯离子浓度在40 mg/L左右，出水氨氮浓度小于5 mg/L，COD浓度在25 mg/L左右，符合敞开式循环冷却水补充水标准。

(4)电吸附工作流程中，对COD的去除作用主要依靠电吸附模块对有机物的吸附、氧化作用，保安过滤器对COD去除率仅为15%左右，电吸附模块对COD的去除率在55%左右。

(5)随着氨氮浓度的增大，氨氮的去除率由50%增大到60%左右，COD的去除率明显增大，可能由于随着氯化铵的投入溶液中氨氮浓度增大[18]，增强了模块极板材料对氨氮的吸附作用和氧化作用，而COD的去除率明显增大可能由于氨氮浓度的增大，COD浓度随之增大，而产生COD的铵根离子受到极板的吸附和氧化双重作用，使得COD的去除效果明显增大。

(6)随着水中含盐量的增大除盐率先增大后降低[19]，可能随着氯化钠的加入水的导电性增大，极板的间的隐形电势升高，除盐效果提高，当电导率超过2500?μS/cm时，极板的吸附能力有限而除盐效果下降；随着盐浓度的升高，氨氮的去除率先有65%升高到70%，在电导率超过2 500 μS/cm时氨氮的去除率下降，由于氨氮有还原性切在中性条件下主要以铵根离子的形式存在，可能由于随着盐浓度的增大溶液内电阻降低，极板间隐形电势升高，极板对铵根离子的吸附作用和氧化作用加强的缘故，后又因极板吸附量的缘故氨氮去除率降低。

(7)后期的建议：电吸附设备对有机物的去除[20]，浓水中COD不浓缩，有机物的物质平衡有待进行分析研究；随着原水盐浓度的提高，净电势随之提高发生电解副反应对极板材料的性能和寿命的影响，有待进一步分析研究。