电吸附技术去除再生水中氯离子的静态吸附实验

【摘 要】本文通过实验室静态吸附研究了电吸附技术对氯离子的去除效率，以及影响去除率的各种因素，结合进水水质和处理要求，确定了在电压5V，极板间距1.0cm，吸附时间为15min为最佳的吸附工况；考察流量对氯离子去除率的影响；最后将实验结果应用到工程研究中，提出解决氯离子浓度高的方法。电吸附技术应用于污水回用工程体现出较好的经济、环境和社会效益，有一定的推广应用价值。

【关键词】电吸附；氯离子；去除率

1.实验概况

本实验研究的是电吸附技术去除水中氯离子的可行性，实验用水主要采用河北省某处理厂再生回用生物处理后的出水，其主要水质指标如下：

2.静态实验步骤与实验分析

2.1实验装置

首先进行静态吸附实验。实验装置如图2-1所示。反应容器为1000ml的烧杯，正负电极分别由两块石墨电极（100mm*50mm*5mm）组成，正负极上所施加电压通过一直流电源来控制。吸附在恒温磁力搅拌下进行，并维持反应温度为（20土0.5）℃。

2.2实验流程

将含氯废水放在电吸附实验装置里，将电极置于反应器中，开启电源，使用搅拌器匀速缓慢搅拌含氯废水，整个实验过程是在恒温下进行，电场作用下，水中带正电荷的离子会向阴极迁移，被电极吸附，水中带负电荷的离子会向阳极迁移，被该电极吸附，都储存于电极表面形成的双电层中；随着离子的富集，水中的氯离子浓度会逐渐降低。

实验每隔5min取水样测氯离子的浓度。随着时间的延长，反复测定氯离子浓度，直到浓度不变化，吸附达到饱和状态。关掉电源进行脱附。实验结果都是在平行实验下得到。

2.3 时间对吸附与脱附效果的影响

实验时，将浓度为412mg/l的原水注入电吸附反应器，然后开启电源，不断改变吸附时间，按图 2-1重复进行吸附，观察出水氯离子浓度变化，结果可以看出，出水氯离子浓度在吸附过程随时间的变化规律。当接通电源，电极两端加上电压后，随着反应时间的延长，溶液中氯离子浓度逐渐降低，出水浓度开始下降，15min 后浓度降到205mg/l，趋于平缓，且与20min时剩余氯离子浓度相差不大，而15min时氯离子浓度与25min时的基本相同，这说明当吸附时间为15min时，吸附基本已达到饱和，即便再延长处理时间，溶液中的剩余氯离子浓度基本不发生变化，故将吸附时间定为15min。证明了电吸附法去除水中氯离子的可行性。

随着运行时间延长，实验中将吸附30min时作为脱附的起点，此时实验进入脱附阶段，关闭电源，将正负极短接，仍然选择每隔5min取水样测定氯离子的浓度。根据实验的数据可知，氯离子浓度开始上升，实验进行60min后，氯离子浓度在上升到高峰值410mg/l，此时氯离子浓度基本与原水中氯离子浓度一样，脱附结束。

2.4电压对吸附效果的影响

在吸附时间为15min，进水氯离子浓度为412mg/l，改变加在工作电极上的电压，分别为1V、3V、5V、7V、10V，按图 2-1重复进行吸附实验，测定浓度。当初始浓度为412mg/l、极板间距1.5cm时，调节电压为1V、3V、5V、7V和10V时，分别进行吸附实验。得出水氯离子浓度逐渐降低。随着电压的增加则去除效率增高，因为随着电压的增大，电极表面剩余电荷密度增大，电荷与离子之间静电引力增强，导致离子在双电层处发生富集效果越明显，溶液中离子浓度降低越大。虽然电压越大，去除率越好，但是应考虑经济方面的问题，另外，通过实验现象可以看到，当电压过高（>7V）时可以观察到石墨板壁有小气泡产生，这表明水的电解反应，同时伴随着电压的升高，电极出现溶解现象。所以本实验将工作电压控制在7V以下。

2.5 极板间距对吸附效果的影响

在工作电压为5V，吸附时间为15min，进水氯离子浓度为412mg/l，改变工作电极极板间距，分别进行实验。间距为0.5cm、1.0cm、1.5cm、2cm、2.5cm时按图2-1重复进行吸附实验，测定出水氯离子浓度。结果表明电极间距越小，氯离子去除率越高，最高去除效率是为51.21%。这是因为随着电极间距越小，在相同的电压下产生的双电层就比较厚，吸附容量因而得到提高，电极间距越小，电极间氯离子扩散距离缩短，且湍流度增大，氯离子到达双电层并被其吸附的时间就越短。

2.6进水浓度对吸附效果的影响

根据水厂长期监测的水质指标中，有时氯离子浓度高达677 mg/l，本实验采用分析纯氯化钠固体和蒸馏水按一定比例配制而成接近原水浓度的溶液作为模拟水样。考察不同进水氯离子浓度对吸附效果的影响，分别是350mg/l、400mg/l、450mg/l、500mg/l、600mg/l、650mg/l、700mg/l针对这七种浓度的溶液分别按图 2-1重复进行吸附实验，测定浓度，得出氯离子浓度变化的规律。

结果表明进水氯离子浓度越低，出水水质越好。350mg/l进水浓度时，处理率可达到54.1%，随着浓度的升高，处理率逐渐下降。针对进水氯离子浓度较大的情况，要提高处理率，达到要求就需要在实验中增加电极的对数，本实验在图2-1的实验装置中，又增加了一对同样的电极，通过测定氯离子的浓度，效果有所改观。在实际工程应用中如果为了提高出水水质，需要采用电吸附模块串联来提高处理效率，保证出水水质。

将配置的模拟水样和实际水样在同样的条件下进行实验，将得到结果进行比较，如图2-2所示，从图中可以看出条件相同时，模拟水样的除去率要高于实际水样。本课题没有对其他离子的去除率进行实验研究。因为电吸附吸附离子数量的多少取决于两个因素：一是离子的电荷，一般情况下离子所带电荷越多则离子向电极内部的迁移力越大，则吸附的离子越多；二是离子的体积大小，离子体积越大，则进入电极孔道难度就越大，同时在电极孔道内时，相同的双电层表面积上，由于离子体积越大则能够容纳的离子数量越少。研究表明，阳离子去除率的顺序：Mg2+>Ca2+>Na+，是由于离子电荷造成的，且Mg2+体积小于 >Ca2+，同时在水溶液中Na+含量较高也是一个重要的原因，另外在水溶液中碱金属类的离子会形成溶剂化壳，使得水合Na+的半径较大，不易吸附。阴离子去除率的顺序：CI->SO2-4>HCO-3>NO-3，由于SO2-4，HCO-3，NO-3离子体积较大，进入电极内部难度大，同时，在相同的双电层表面积上，容纳的离子数量相应的较小。

2.7结论

（1）时间是影响吸附和脱附的主要因素，当吸附时间为15min时，吸附基本已达到平衡，即便再延长处理时间，溶液中的剩余氯离子浓度基本不发生变化。

（2）给极板施加不同的电压对电吸附的处理效果影响很大。电吸附量与电压存在一定的关系，电压越大，水中氯离子的吸附率越大，水处理效果越好。

（3）极板间距也是影响电吸附的主要因素之一。电极间距越小，处理效果越好。

（4）进水氯离子浓度越小，单位体积中的氯离子越少，出水效果越好。