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1、WORD.电吸附技术与在污水回用中的应用技术资料爱思特净化设备2008.5 / 目录1.前言12.污（废）水除盐技术的发展简述12.1.应用现状12.2.主要问题23.电吸附除盐技术与其研究与发展23.1.电吸附除盐技术原理23.2.国外电吸附技术研究概述53.2.1.国外研究应用概况53.2.2.国研究应用概况53.3.电吸附除盐装置类型83.4.主要性能指标参数与运行工况93.4.1.电吸附除盐的主要性能指标93.4.2.运行参数与运行工况93.5.电吸附的工艺流程103.5.1.电吸附系统的组成103.5.2.电吸附工艺流程的设计要点113.5.3.电吸附除盐的工艺过程133.6.应用领
2、域144.电吸附除盐技术的技术特点154.1.科技创新点和主要技术特点154.1.1.科技创新点154.1.2.电吸附除盐装置的技术特点154.2.与常规除盐技术的比较分析与技术优势164.3.技术优势195.电吸附技术在污（废）水回用除盐方面的中试研究205.1.某钢铁公司中试205.2.某纸业中试246.电吸附除盐技术的工程应用266.1.工程应用的技术目标和技术关键266.1.1.工程应用的技术目标266.1.2.工程应用的技术关键266.2.电吸附除盐技术在污（废）水回用领域工程应用实例266.2.1.某化工集团项目266.2.2.某石化项目297.电吸附除盐技术的经济分析317.1.
3、电吸附除盐工程的经济评价317.2.电吸附除盐技术的经济优势328.电吸附主要技术的应用前景与发展趋势338.1.应用前景338.2.发展趋势331. 前言电吸附除盐技术（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、运行维护以与环境友好等方面有着独特的优势，具有良好的应用
4、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。爱思特净化设备从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（废）水除盐技术的发展简述2.1. 应用现状随着经济的发展和人口的膨胀，工业与生活所需的淡水资源日益匮乏，水资源净化已经成为世界围普遍关注的问题。解决水资源匮乏的方法有很多，其中污(废)水回用与开发中水资源，即提高水的重复利用率是当前许多国家解决水
5、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
6、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，
7、造成设备在产水量、得水率与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. 电吸附除盐技术与其研究与发展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
8、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。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/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
9、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(zF2/2RT)（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为双电层离子的集聚密度，也即离子吸附量。从（3
10、-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
11、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）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
12、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10分钟电导率S/cm3.2. 国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Ne
13、wman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。3.2.2. 国研究应用概况一、文献报导电吸附技术在国的研究起步比较晚，这方面的文献并不多见，国福明、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
14、。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、爱思特公司的研究与应用概况爱思特净化设备从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
15、1. 原型机的试制与试验阶段2000年，爱思特公司的前身高德卡本净化技术开发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EST型水处理净化设备通过了建设部科技成果评估，得到了专家的肯定。实践证明，采用EST电吸附技术在对高氟、高砷水进行处理时，可以在适当保留饮用水中的其它矿物质的前提下，有针对性地去除过高的氟和砷，而且处理效果稳定、持续、可控。2004年在监狱局清河农场安装了5套饮用水除氟深度处理装置，已经过连续四年的稳定运行。2003年至2006年期间，爱思特公司利用电吸附技术在市自来水集团水源四厂进行了应用试验研究，结果表明，电吸附技术适用于降低水中阴阳离子的处理，可有效去除水中的钙、镁、氯化物、硝酸盐、氟、砷等，出水质达到生活饮用水水质标准。电吸附技术对于处理高含盐量水源水在经济技术上是可行的，适用于市政给水处理，有利于缓解水资源紧、改善供水环境。2006年，以第四代EMK-4452A型电吸附
