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1、电吸附技术及在污水回用中的应用电吸附技术及在污水回用中的应用 技术资料技术资料 常州爱思特净化设备有限公司常州爱思特净化设备有限公司 2008 5 目录目录 1 前言前言 1 2 污 废 水除盐技术的发展简述污 废 水除盐技术的发展简述 1 2 1 应用现状应用现状 1 2 2 主要问题主要问题 2 3 电吸附除盐技术及其研究与发展电吸附除盐技术及其研究与发展 2 3 1 电吸附除盐技术原理电吸附除盐技术原理 2 3 2 国内外电吸附技术研究概述国内外电吸附技术研究概述 5 3 2 1 国外研究应用概况 5 3 2 2 国内研究应用概况 5 3 3 电吸附除盐装置类型电吸附除盐装置类型 8 3
2、 4 主要性能指标参数与运行工况主要性能指标参数与运行工况 9 3 4 1 电吸附除盐的主要性能指标 9 3 4 2 运行参数及运行工况 9 3 5 电吸附的工艺流程电吸附的工艺流程 10 3 5 1 电吸附系统的组成 10 3 5 2 电吸附工艺流程的设计要点 11 3 5 3 电吸附除盐的工艺过程 13 3 6 应用领域应用领域 14 4 电吸附除盐技术的技术特点电吸附除盐技术的技术特点 15 4 1 科技创新点和主要技术特点科技创新点和主要技术特点 15 4 1 1 科技创新点 15 4 1 2 电吸附除盐装置的技术特点 15 4 2 与常规除盐技术的比较分析与技术优势与常规除盐技术的比
3、较分析与技术优势 16 4 3 技术优势技术优势 19 5 电吸附技术在污 废 水回用除盐方面的中试研究电吸附技术在污 废 水回用除盐方面的中试研究 20 5 1 某钢铁公司中试某钢铁公司中试 20 5 2 某纸业中试某纸业中试 24 6 电吸附除盐技术的工程应用电吸附除盐技术的工程应用 26 6 1 工程应用的技术目标和技术关键工程应用的技术目标和技术关键 26 6 1 1 工程应用的技术目标 26 6 1 2 工程应用的技术关键 26 6 2 电电吸吸附附除除盐盐技技术术在在污污 废废 水水回回用用领领域域工工程程应应用用 实例实例 26 6 2 1 某化工集团项目 26 6 2 2 某石
4、化项目 29 7 电吸附除盐技术的经济分析电吸附除盐技术的经济分析 31 7 1 电吸附除盐工程的经济评价电吸附除盐工程的经济评价 31 7 2 电吸附除盐技术的经济优势电吸附除盐技术的经济优势 32 8 电吸附主要技术的应用前景与发展趋势电吸附主要技术的应用前景与发展趋势 33 8 1 应用前景应用前景 33 8 2 发展趋势发展趋势 33 1 前前言言 电吸附除盐技术 Electrosorb Technology 简称 EST 又称电容性除盐技术 Capacitive Deionization Desalination Technology 是 20 世纪 90 年代末开始兴起的一 项新型
5、水处理技术 该技术利用通电电极表面带电的特性对水中离子进行静电吸附 从 而实现水质的净化目的 由于该技术采用了全新的水处理概念 在处理效率 适应性 能耗 运行维护以及环境友好等方面有着独特的优势 具有良好的应用和发展前景 尤 其在污 废 水再生回用方面有望得到广泛的应用 常州爱思特净化设备有限公司从 2001 年起开始进行该项技术的研究开发和实际应用工作 至今已在饮用水深度处理 工 业 市政废水处理等方面进行了一定规模的应用 本报告旨在对该项技术的研究过程和 在污 废 水回用处理方面的工程试验和实际应用结果作一总结 并对该技术的发展前 景和市场潜力进行初步探索 请予指正 2 污污 废废 水水除
6、除盐盐技技术术的的发发展展简简述述 2 1 应用现状 随着经济的发展和人口的膨胀 工业及生活所需的淡水资源日益匮乏 水资源净化 已经成为世界范围内普遍关注的问题 解决水资源匮乏的方法有很多 其中污 废 水回 用及开发中水资源 即提高水的重复利用率是当前许多国家解决水资源短缺的有效途径 水处理技术的不断成熟 特别是近年来高级氧化 膜分离等高级处理技术的发展给城市 工业污水的达标排放处理提供了新的技术手段 然而 虽然水中的许多污染物可以通过 传统的混凝 沉淀 过滤 吸附等方法去除 但对于水质要求较高的回用场合 如对于 溶解在水中的盐的去除则需要采用适当的除盐手段来实现 常见的水的除盐方法有蒸馏 反
7、渗透 电渗析 离子交换等 在工业界已有用超滤 微滤与反渗透 双膜法 进行污 废 水除盐处理的实践 通过采用超滤 微滤来降低污 废 水对反渗透膜的污染 取得了一定的经验 然而 由于双膜法用于污 废 水回用时工艺复杂 运行成本高 得水率较低 膜组件的使用寿命与常规水处理时相比要短得多 同时需要采用大量还原 剂和阻垢剂 使浓水的排放难以达到环保要求 因此 在污 废 水回用领域 存在着 技术经济上不尽合理的问题 从 20 世纪 60 年代电吸附除盐技术面世到今天 电吸附在许多领域得到了初步的应 用 如将电吸附作为除盐手段应用于管道直饮水 矿泉水 苦咸水淡化等不同的场所 近年来 随着对电吸附除盐技术的性
8、质与功能的研究的进一步深入 电吸附除盐技术在 污 废 水回用处理领域的应用正逐渐展开 2 2 主要问题 污 废 水除盐技术市场发展目前存在的主要问题是 污 废 水的成分比一般自 来水和天然地表 下 水要复杂得多 传统污水除盐技术在该领域应用时 易受水中有 机物 油类等物质的影响而造成污堵 造成设备在产水量 得水率及使用寿命不能满足 设计要求 同时对预处理的要求很高 又需要投放大量药剂 不仅增加工程的总体投资 也使运行成本居高不下 因此 寻找一种对原水耐受性好 既能以较低的运行成本对污 废 水进行除盐又对环境友好的除盐技术成为业界的一个重要课题 3 电电吸吸附附除除盐盐技技术术及及其其研研究究与
9、与发发展展 3 1 电吸附除盐技术原理 水处理中的盐类大多是以离子 带正电或负电 的状态存在 电吸附除盐技术的基 本思想就是通过施加外加电压形成静电场 强制离子向带有相反电荷的电极处移动 使 离子在双电层内富集 大大降低溶液本体浓度 从而实现对水溶液的除盐 电吸附原理见图 3 1 原水从一端进入由两电极板相隔而成的空间 从另一端流出 原水在阴 阳极之间流动时受到电场的作用 水中离子分别向带相反电荷的电极迁移 被该电极吸附并储存在双电层内 随着电极吸附离子的增多 离子在电极表面富集浓缩 最终实现与水的分离 获得净化 淡化的产品水 图 3 1 电吸附基本工作原理示意图 在电吸附过程中 电量的储存
10、释放是通过离子的吸 脱附而不是化学反应来实现的 故而能快速充放电 而且由于在充放电时仅产生离子的吸 脱附 电极结构不会发生变 化 所以其充放电次数在原理上没有限制 另外 在短时间内过电压一般不会对装置产 生不良影响 温度对离子的吸脱附速度影响不是很大 故其容量变化也相对小得多 根据 Gouy Chapman Stern 模型 在一个理想的等价离子电解质溶液双电层系统中 电极表面电荷量与电极电位 离子浓度 温度等参数之间有如下关系式 qM 8RT 1 2 Cb 1 2sinh zF 2 2RT 3 1 其中 qM为电极表面电荷量 为溶液介电常数 Cb为溶液离子浓度 z 为离子 电荷数 2为扩散层
11、电势差 R 为气体常数 T 为绝对温度 从 3 1 式可以看出 双电层内可集聚的离子数量与离子的浓度和在电极上所施 加的电势密切相关 当体系的温度 电势为一定时 3 1 式可简化为 qM k Cb 1 2 3 2 如果假设电极电荷密度与电极表面所集聚的离子量成正比 则有 S K Cb 1 2 3 3 其中 S 为双电层内离子的集聚密度 也即离子吸附量 从 3 3 式可以看出 在等温等电势条件下 电极对离子的电吸附量与溶液离子 浓度平方根成正比关系 与 Frundlich 吸附等温线相似 当电极表面电位达到一定值时 双电层离子浓度可达溶液体相浓度的成百上千倍 当含有一定量盐类的原水经过由高功 能
12、电极材料组成的电吸附模块时 离子在直流电场的作用下被储存在电极表面的双电层 中 直至电极达到饱和 此时 将直流电源去掉 并将正负电极短接 由于直流电场的 消失 储存在双电层中的离子又重新回到通道中 随水流排出 电极也由此得到再生 电吸附模块处理效果的好坏主要取决于电极的吸附性能 通常 对材料吸附能力的 描述是用等电势吸附等温线来进行描述的 而对电吸附来说 除了要考虑到温度的影响 外 还必须考虑电极电势的影响 因此 本技术的研究是从通过测定等电势吸附等温线 了解掌握电极材料的电吸附性能着手 图 3 2 示出电极材料对氯化钠的等电势吸附等温线 实验条件为温度 25 电极电 压 1 0V 通过对曲线
13、的回归计算 得出吸附量与平衡浓度的关系 如 3 4 式所示 吸附量与平衡浓度呈平方根关系 符合上述双电层理论计算式的预测 3 4 50 60 Cmad 式中 mad 每克电极材料的吸附量 mg g C 氯化钠溶液的平衡浓度 mg L 图3 2 氯化钠在电极材料上的等电势吸附等温线 由于电吸附过程主要利用电场力的作用将阴 阳离子分别吸附到不同的电极表面形 成双电层 这会使同一极面上的难溶盐离子浓度积相对低得多 可有效防止难溶盐结垢 现象的发生 其次 电吸附极板间水径流与极板呈切线方向 不利于水中析出难溶盐结 晶在极板上的生长 电吸附可以在浓水难溶盐过饱和状态下运行 另外 在电吸附模块 中 由于电
14、吸附过程中阴 阳离子吸附不平衡导致产生氢离子含量较多的出水 通过倒 极的方式 略偏酸性的出水同样会使有微量结垢现象的垢体溶解掉 电吸附工作再生出水浓度曲线电吸附工作再生出水浓度曲线 3 2 国内外电吸附技术研究概述 3 2 1 国外研究应用概况 电吸附的研究始于 20 世纪 60 年代 俄克拉荷马大学的研究人员利用电吸附原理 从略带碱性的水中去除了盐分 在 Caudle 等的报告中描述了使用多孔电极的电容去离 子装置 Johnson 和 Newman 等的研究则包括验证过程的理论基础 参数研究和对多种 候选电极材料的评价 国外的研究工作也主要以炭电极的发展作为主线 但主要停留在 小流量循环处理
15、的实验阶段 国外在电吸附应用方面取得研究成果最多的是美国劳伦斯 利弗莫尔国家实验室 他们从从上个世纪 90 年代 采用内部孔隙极多的炭气凝胶作为电极材料开发出来一套 电容性除盐实验装置 虽然具有一定的除盐效果 但材料制作工艺复杂 制作成本很高 妨碍了这一技术的推广 电导率 S cm 10 分钟 3 2 2 国内研究应用概况 一 文献报导 电吸附技术在国内的研究起步比较晚 这方面的文献并不多见 国内陈福明 尹广 军等 1999 报道了用多孔大面积电极去除水中离子的方法 并对电吸附进行了一系列的 理论和实验研究 杨慧云对 NaCl 溶液进行电容性除盐 结果分析表明 当溶液种类和 浓度一定时 电极的
16、吸附容量随外加电压的增加而增大 当溶液种类和外加电压确定后 吸附容量随着浓度的增加而增大 并达到一个极限值吸附 莫剑雄也尝试利用双电层电 容的原理进行电吸附装置的研究 上述研究过程仍处于实验室研究阶段 二 常州爱思特公司的研究与应用概况 常州爱思特净化设备有限公司从 2000 年开始了电吸附技术的研发应用 到目前已 经发展了四代电吸附产品 其核心元件 电吸附模块演变过程如图 3 3 所示 单位模块 处理量从 50L h 增至目前的 20t h 第一代 2000年 第二代 2002年 第三代 2003年 第四代 2005年 图3 3 电吸附系列产品的演变 1 原型机的试制与试验阶段 2000 年 爱思特公司的前身常州高德卡本净化技术开发有限公司开始了电吸附技术 的研发应用 并在电极材料研制 核心部件设计 系统控制和集成等方面取得了突破性 进展 2001 年常州爱思特公司科研人员在电吸附除盐技术研发领域实现重大突破 开发出 一系列电吸附水处理设备并获得了 2 项国家发明专利和 6 项实用新型专利 成功地将电 吸附技术导入水处理领域 2 中小型设备的制造与应用阶段 2002 年 爱思特牌 E
