在经济不断持续高速发展的同时, 我国面临着
淡水资源严重短缺的局面。淡水资源总量为28000
亿立方米, 人均只有2300立方米, 仅为世界平均
水平的1 /4、美国的1 /5, 在世界上名列121 位,
是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。到20
世纪末, 全国600多座城市中, 已有400多个城市
存在供水不足问题, 其中比较严重的缺水城市达
110个, 全国城市缺水总量为60 亿立方米[ 1 ] 。而
我国存在着大量苦咸水资源, 将苦咸水转化成为淡
水是解决我国淡水资源缺乏的主要途径之一。
因此, 开发产水率高, 能耗较低, 操作简单的
环保型除盐技术具有重要的意义。电吸附技术
(EST) 具备以上各种优点且有良好的除盐性能,
并且可以应用在饮用水净化、海水、苦咸水淡化、
废水处理等多个领域, 所以已引起众多学者的广泛
关注。
1 电吸附的基本原理及研究现状
111 电吸附基本原理
电吸附脱盐的工作原理如下图所示。在直流电
场的作用下, 当含盐水溶液通过电极体系时, 水中
可溶性盐的阴阳离子向电荷相反的电极作定向迁移
并吸附在电极上, 从而达到除盐的目的, 如下图
( a) 所示。当电极上吸附了足够多的盐离子并达
到饱和时, 通过电极反接或者短接使电极上吸附的
离子自行脱落、排放, 从而达到电极再生的目的,
如下图( b) 所示[ 2 ] 。电吸附技术是一种不涉及电
子得失的非法拉第过程, 所需电流仅用于给吸附电
极溶液界面的双电层充电, 因此电吸附本质是一个
低电耗过程[ 3 ] 。
图 脱盐示意图
Fig1 Schematic diagram of desalination
112 电吸附除盐的研究现状
电吸附除盐技术在国外研究得比较早, 技术也
比较成熟。最早有关于电吸附除盐的报道要追溯到
20世纪60年代, Caudle等以直流方式利用多孔活
性炭电极去除水中盐分, 这是电吸附技术在除盐领
域最早的应用[ 4 ] 。近几年, Jae - Bong Lee等[ 5 ]通
过实验发现以84%的活性炭粉末、4%的PTFE粘结
剂和12%的离子交换树脂组成的新型活性炭复合电极
的除盐效率, 比传统的活性炭电极提高了35%, 这是
因为这样的组合方式增加了电极的亲水性。
国内电吸附技术的研究起步较晚, 但是近年来
也取得了长足的进步。李智等[ 6 ]分别以两种孔径
的碳气凝胶作为电极材料, 以NaF溶液为研究对
象进行除盐实验, 结果表明, 在进水浓度较低时,
选择孔径较大的碳气凝胶除盐效果更好; 而当进水
浓度较高时, 则除盐效果主要由比表面积决定, 主
要孔径大小对除盐效果影响不大。杨慧云等[ 7 ]利
用活性炭纤维电极对NaCl溶液进行电容性除盐,
结果表明, 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。
2 电极材料的选择
由于电极材料的使用寿命是影响电极吸附技术
应用的重要因素, 因此, 电极吸附技术的进步主要
体现在电极材料的发展和对机理研究的进展上。电
吸附技术的电极材料不仅要求导电性能良好, 而且
还要有较大的比表面积, 能提供尽可能多的双电
层。炭材料不但具备这些特点, 还因化学性能稳定
而成为环境友好材料。按照材料的不同, 国内外主
要研究包括以石墨、活性炭、活性炭纤维、碳气凝
胶和碳纳米管等材料做电极的电吸附技术[ 8 ] 。
211 石墨电极
石墨作为一种经典的电极材料, 尽管其本身并
没有显著的吸附能力, 但可用作电吸附剂。Za2
basajja等[ 9 ]在研究同一系列的脂肪醇的电吸附时,
分别用石墨颗粒(代号950) 和活性炭(代号KS
- 15) 作为填充电极, 对比性地研究了这两种电
吸附剂的吸附行为。它们的比表面积分别是15m2 /g
和1010m2 /g, 体积密度分别是0112g/ cm3 和
0136g/ cm3。实验研究了戊醇和庚醇的电吸附, 用
表面电容的变化来定性直链醇的电吸附, 通过分析
Langmuir吸附等温线知道, 表面电容越大, 吸附容
量的电位敏感性越强, 而且这种表敏感性随分子质
量和体积的增大而增强。
石墨电极作为最早的电极材料曾一度引起许多
研究者的兴趣, 它有着良好的机械性能及可加工
性, 在电吸附初级阶段得到了一定的发展。但随着
新型炭材料的出现, 石墨电极逐渐被取代[ 10 ] 。
212 活性炭电极
活性炭是微晶碳的变型, 晶体表面的碳原子与
体相碳原子处于不同的电子能级状态。与石墨相
比, 活性炭具有更大的比表面积和吸附容量, 而且
它的大规模生产使得其成为一种方便易得、相对廉
价的吸附剂材料。于是, 考虑将活性炭用作电吸附
剂的研究不断深入。
Alfarra等[ 11 ]用活性炭电吸附剂从稀水溶液介
质中吸附Li+ 。在所选择的研究条件(恒电位或恒电
流) 下, 测出的低电容值表明, 静电吸引不是离子吸
着的主要原因。向活性炭施加阴极极化, Li+吸附增
强; 改变电位极性, 吸附的Li+几乎全部脱附。
孙世强等[ 12 ]用比表面积为1350m2 /g, 平均孔
径118nm的活性炭为电极材料, 研究活性炭电极
在氯化物水溶液中的电吸附性能, 测试了L iCl、
NaCl、KCl、MgCl2 和CaCl2 在活性炭电极表面的
等电势吸附等温线。测试结果说明, 碱金属和碱土
金属离子在活性炭电极表面的平衡吸附容量主要受
其水化离子半径影响, 即水化离子半径小, 所带电
荷少的阳离子吸附性能更好, 依次为K+ >Na+ >
Li+ >Ca2 + >Mg2 + 。
普通活性炭制作电极时, 一般用高分子粘结剂
将活性炭粘结在一起, 而往往高分子粘结剂会吸附
到活性炭表面, 增大了电流及溶质的传递阻力, 加
上它们之间的电接触也不很紧密, 造成了很高的电
阻, 所以离实际应用还有一定距离。当采用高比表
面积活性炭时则有可能使这一点得到改善, 但尹广
120 四川环境29卷
军[ 13 ]等介绍, 高比表面积活性炭孔径几乎全部都
小于10nm, 孔径太小, 空间会发生“重叠效应”,
不利于双电层的生成。为了解决这一问题, 必须进
行多项试验研究, 以控制孔径的分布。
213 活性炭纤维
活性炭纤维是在20世纪70年代发展起来的第
三代新型碳素材料, 因为其纤维直径一般在10～
13μm之间, 外表面积大, 微孔丰富且分布窄, 容
易与吸附质接触, 扩散阻力小, 所以相对活性炭而
言, 吸附和脱附速度很快, 有利于吸附分离, 活性
炭纤维及其复合材料也被用于电极材料的制作。
Afkhami A[ 14 ]利用比表面积高达2500m2 /g的
炭布作电极去除NO-
3 和NO-
2 , 30分钟后NO-
3 的
去除率为60% , 128分钟后NO-
2 的去除率也可达
到60%。他还研究了工业废水的除盐[ 15 ] , 结果表
明, 电吸附技术能去除低浓度的Cr6 + 、Mo6 + 、
V5 + 、W4 +等, 并且正极极化可以提高电极材料对
Cr6 + 、Mo6 + 、V5 +的吸附性能。活性炭纤维作电极
的电吸附技术还可以用来处理带有微量硫离子的工业
或选矿废水、含铀废水以及去除Sr2 +和Ca2 +等[16, 17 ]。
以活性炭纤维为电极材料的研究表明[ 18 ] , 吸
附效果主要取决于电极的化学结构与吸附剂的浓
度。另外, Card J C等在充分考虑活性炭复杂的物
理结构的基础上建立了电极电容电位分布的数学模
型, 说明了粒子间大孔和粒子内微孔的电位分布。
214 碳气凝胶
碳气凝胶是一种新兴的结构可控的纳米多孔非
晶碳素材料( ≤50nm) , 具有丰富的空洞、连续的
网络结构、高比表面积(400～1000 m2 /g) 和良好
的导电性能( ≤40mΩ ·cm) , 是理想的水相中电
吸附除盐的多孔电极材料[ 19 ] 。它由美国Lawrence
Livemore国家实验室研制开发, 它是由间苯二酚
———甲醛聚合物凝胶裂解而制, 可以根据需要制成
不同的形状, 如块状、珠状和薄膜纸状。碳气凝胶
电容性电吸附去除水溶液中重金属和无机盐的研究
表明, 碳气凝胶用作电吸附剂在水体净化等诸多领
域拥有更为广阔的空间。
Gabelich等[ 20 ]将碳气凝胶用作电吸附剂研究
多种无机离子(Na+ 、K+ 、Ru+ 、Mg2 + 、Cl- 、
Br- 、NO-
3 和SO2 -
4 ) 的去除。采用的碳气凝胶尺
寸为10cm ×20cm ×01015cm, 3组串联在一起, 总
的活性面积达到8116 ×106cm2。研究发现, 离子
水合半径的大小决定着碳气凝胶电吸附剂对离子的
吸附选择性。一价离子水合半径比多价离子小, 所
以一价离子更容易去除。
Yang C[ 21 ]等利用碳气凝胶和硅凝胶复合材料
作为电极活性物质, 以硅凝胶作为催化剂载体, 大
大增加了电极的机械性能、湿润性及吸附性能。对
碳气凝胶电容量测定与控制的研究表明, 该材料是
双电层电容器应用领域包括能量储存及去除污水中
的离子等方面的理想物质。
215 碳纳米管
碳纳米管是于1991年发现的一种纳米碳材料,
通过适当的表面处理, 可充分利用其表面和内腔部
分的表面积。碳纳米管独特的孔隙结构和高比表面
积利用率的特性决定了其是目前较为理想的电极材
料。Wang X等[ 22 ]报道了利用碳纳米管和碳纳米纤
维复合薄膜电极电吸附去除水溶液中的离子, 通过
优化孔径大小可以重复得到净水。
代凯等[ 23 ]研究了碳纳米管电极电吸附苦咸水
脱盐。对碳纳米管的预处理、电极炭化、碳纳米管
孔径以及不同操作条件, 包括不同电压、初始浓
度、水通量和电极片数等对脱盐的影响进行了一系
列的测试与分析, 结果表明: 预处理使电极脱盐性
能大为提高; 炭化将加强电极片的强度, 碳纳米管
电极的最佳脱盐孔径为2～10nm; 并且这种新型脱
盐器最佳脱盐的电压和水通量分别为210V 和
10ml/min。在此最佳条件下, 盐水的浓度越高, 脱
盐效果越好; 并且电极片越多, 脱盐性能越好。
3 结论与展望
电吸附技术效果稳定、操作简单, 已经在含盐
废水的治理领域展现出了良好的前景, 而电极材料
选取的好坏则是决定电吸附技术去离子效果的优
劣、能耗高低、处理周期长短等指标的关键因素。
高比表面积(400～1000 m2 /g) 和良好的导电性能
( ≤40mΩ·cm) , 是理想的水相中电吸附除盐的多
孔电极材料的选择标准。因此, 研究出导电性能良
好、比表面积较大、制备简单且价格低廉的新型电
极材料必将成为近一段时间人们研究的重点与热
点。那么随着新型电极材料的出现及现有工艺的改 |
