電吸附模擬解讀課件

電吸附技術(shù)北京化工大學機電工程學院電吸附技術(shù)北京化工大學機電工程學院電吸附（EST）技術(shù)簡介1.什么是電吸附？------電吸附技術(shù)（ElectrosorbTechnology），又稱電容性除鹽技術(shù)（CDI），是20世紀90年代末開始興起的一項新型水處理技術(shù)。其基本原理是基于電化學中的雙電層理論，利用帶電電極表面的電化學特性來實現(xiàn)水中帶電粒子的去除、有機物的分解等目的。電吸附（EST）技術(shù)簡介1.什么是電吸附？------電吸附電吸附（EST）技術(shù)簡介2.電吸附技術(shù)原理

------電吸附的原理目前廣泛應(yīng)用的是雙電層模型。在施加電位時，在電極溶液界面形成雙電層。當電極表面不帶電荷時，主要被所吸附的水偶極分子覆蓋，別的表面離子和分子也可能通過接觸吸附。而當電極通電時，電極的電荷被帶相反電荷的離子或帶電粒子在雙電層的電解液一側(cè)通過吸附補償，或通過在外亥姆霍茲面(outerHelmholtzplane)與擴散層(Gouy-Chapman擴散層)富集相反電荷得到補償。這樣離子或帶電粒子就會在電極表面富集濃縮，使被處理水中的鹽類、膠體顆粒及其它帶電物質(zhì)的濃度大大降低，從而實現(xiàn)水的除鹽、去硬、淡化和凈化。

電吸附（EST）技術(shù)簡介2.電吸附技術(shù)原理------電吸2.電吸附技術(shù)原理

雙電層模型理論

根據(jù)電化學理論，在電極與電解質(zhì)溶液的兩相間施加低于溶液的分解電壓時，電荷會在極短距離內(nèi)重新分布、排列。作為補償，帶電電極會吸引溶液中的帶相反電荷的離子，界面剩余電荷的變化將引起界面雙電層電位差的改變，從而形成緊密的雙電層，并在電極和電解液界面存儲電荷。

目前廣泛應(yīng)用的雙電層模型是Gouy-Chapman-Stern(GCS)模型。GCS模型認為，雙電層包括緊密層與分散層兩個部分，雙電層總的電壓降等于緊密層的電壓降和分散層的電壓降之和。在GCS雙電層模型基礎(chǔ)之上，Ying等建立了考慮微孔區(qū)雙電層重疊效應(yīng)的模型：

式中：ψd為分散層電壓；V為外電壓；Φecm為電毛細極大值時電極電位；σ0為電荷面密度，C/m2；C1為內(nèi)層電容，F(xiàn)/m2。

2.電吸附技術(shù)原理雙電層模型理論根據(jù)電化學理論，Hou等為了研究在納米材料孔洞內(nèi)雙電層的形成，采用了修正的雙電層模型。

2.電吸附技術(shù)原理

式中：ψ為雙電層電壓，V；ψd為分散層電壓，V；ψ0為表面電壓，V；ψm為中板電壓，V。Hou等為了研究在納米材料孔洞內(nèi)雙電層的形成，采用了修正的雙2.電吸附技術(shù)原理

電極吸附量計算根據(jù)雙電層理論，電極表面的離子吸附量與體相濃度及表面電位之間有如下關(guān)系：令

則

式中：q—表面電荷數(shù)；ε—水在電極表面的介電常數(shù)；C—水中離子濃度；z—離子電價數(shù)；F—法拉第常數(shù)；Φ—電極表面電位；R—通用氣體常數(shù)；T—熱力學溫度；n—實驗所得常數(shù)

2.電吸附技術(shù)原理電極吸附量計算根據(jù)雙電層理論，電極表面雙電層電荷量的影響因素2.電吸附技術(shù)原理

雙電層電荷量與溫度的關(guān)系

電極界面雙電層飽和電荷量對溫度是非常敏感的，隨溫度升高而迅速降低。原因有兩方面：第一，由于溫度升高，電極過電位減小，電場力減弱，電極表面對離子的吸附能力降低；第二，溫度上升后，溶液粘度下降，電極表面對離子的粘附力減小。

雙電層電荷量的影響因素2.電吸附技術(shù)原理雙電層電荷量與溫度2.電吸附技術(shù)原理

雙電層電荷量與溶液物質(zhì)的量濃度的關(guān)系

電極界面雙電層電荷量隨溶液物質(zhì)量濃度的增大而增大，但由于電荷量與離子的物質(zhì)量濃度的平方根成正比，電荷量在高濃度時增加很少，因此電吸附優(yōu)勢在原水含鹽量很高時逐漸消失，適合處理鹽濃度較低的溶液。2.電吸附技術(shù)原理雙電層電荷量與溶液物質(zhì)的量濃度的關(guān)系電2.電吸附技術(shù)原理

雙電層電荷量與電極電勢的關(guān)系

電極界面雙電層電荷量對電極電勢也是非常敏感的，隨電極電勢的增大而迅速增大。但當電勢過高時，導致溶液電解反應(yīng)的發(fā)生，增加了能耗。

2.電吸附技術(shù)原理雙電層電荷量與電極電勢的關(guān)系電2.電吸附技術(shù)原理除鹽原理2.電吸附技術(shù)原理除鹽原理2.電吸附技術(shù)原理降解COD原理在雙電層的溶液一側(cè)，包含溶劑分子和特性吸附的一些其它物質(zhì)(離子或分子)，溶劑化離子同荷電的電極的相互作用，僅僅涉及遠程的靜電力，因此它們的相互作用從本質(zhì)上說與離子的化學性質(zhì)無關(guān)，這些離子被稱為非特性吸附離子。在強電場作用下，在電極表面生成壽命短、氧化性極強的活性物質(zhì),主要為·OH羥基自由基，可以使一些難以降解的有機污染物質(zhì)更容易被分解,并且不會造成無二次污染。

2.電吸附技術(shù)原理降解COD原理在雙電層的溶液一側(cè)，電吸附（EST）技術(shù)研究1.電吸附電極材料的研究

電吸附技術(shù)除鹽，電極是電吸附技術(shù)的關(guān)鍵。按照材料的不同，國內(nèi)外主要研究包括以石墨、活性炭、活性炭纖維和炭氣凝膠等材料做電極的電吸附技術(shù)。電極示意圖電吸附（EST）技術(shù)研究1.電吸附電極材料的研究電吸附技術(shù)1.電吸附電極材料的研究

1）石墨電極石墨作為一種經(jīng)典的電極材料，盡管其本身并沒有顯著的吸附能力，但可用作電吸附劑。石墨電極作為最早的電極材料曾一度引起許多研究者的興趣，它有著良好的機械性能及可加工性，在電吸附初級階段得到了一定的發(fā)展，隨著新型炭材料的出現(xiàn)逐漸被取代。

1.電吸附電極材料的研究1）石墨電極1.電吸附電極材料的研究

2.活性炭電極活性炭是水處理中應(yīng)用最為廣泛的吸附劑，有活性炭粉末和活性炭顆粒兩種產(chǎn)品形態(tài)，具有生產(chǎn)簡單、成本低等優(yōu)點。

盡管研究表明活性炭具有良好的去除重金屬離子的效果，但是由于活性炭電極本身高電阻和傳質(zhì)阻力的缺點限制了它在實際中的應(yīng)用。1.電吸附電極材料的研究2.活性炭電極1.電吸附電極材料的研究

3.活性碳纖維電極（ACF)活性碳纖維有高比表面積和較大的吸附容量，并且活性碳纖維制品種類眾多，有毛氈(無紡布)、紙片、蜂窩狀物、織物、雜亂的短纖維和纖維束等形狀，因為可以直接剪成合適的尺寸做電極片，使得活性碳纖維作為電吸附電極更簡單方便，易于實現(xiàn)。1.電吸附電極材料的研究3.活性碳纖維電極（ACF)1.電吸附電極材料的研究

4.碳納米管電極碳納米管具有特殊的中空結(jié)構(gòu)、大的比表面積、低電阻率和很高的穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于電池材料、儲氫材料、平面顯示器材料、化學傳感器材料和超大容量電容器材料等領(lǐng)域。1.電吸附電極材料的研究4.碳納米管電極1.電吸附電極材料的研究

5.炭氣凝膠電極炭氣凝膠(Carbonaerogels)是一種新型的多孔炭材料，在過去10年中得到了廣泛的應(yīng)用。炭氣凝膠由美國LawrenceLivemore國家實驗室研制開發(fā)，它是由間苯二酚——甲醛聚合物凝膠裂解而制，可以根據(jù)需要制成不同的形狀，如塊狀、珠狀和薄膜紙狀。炭氣凝膠由許多納米開孔(3~30nm)和中間孔(<50nm)構(gòu)成，比表面積通常很大(400~1100㎡/g)，電導率很高(10~100S/cm)。炭氣凝膠電容性電吸附去除水溶液中重金屬和無機鹽的研究表明，炭氣凝膠用作電吸附劑在水體凈化等諸多領(lǐng)域擁有更為廣闊的空間。1.電吸附電極材料的研究5.炭氣凝膠電極1.電吸附電極材料的研究

炭氣凝膠1.電吸附電極材料的研究炭氣凝膠1.電吸附電極材料的研究

6.復合電極Yang等制備了比表面積為900～1700m2/g、密度為0.05g/cm3的碳氣凝膠。再將硅膠按不同比例加入到碳氣凝膠中，通過黏貼滾壓法即可制成電極。

Zhang等和Dai等用活性炭和碳納米管制備了復合電極片。研究結(jié)果表明，含質(zhì)量分數(shù)為10%碳納米管的復合電極的除鹽性能最好，并且很容易高效再生。

Gao等用碳納米管和納米纖維制備了復合薄膜電極(CNTs-CNFs)。實驗中用直流式磁控電鍍法在0.3mm厚的石墨基底上沉積一薄層Ni催化劑，再用低壓低溫熱化學氣相沉積法制備CNTs–CNFs薄膜電極。該電極用0.5mol/L的HCl浸泡去除催化劑Ni之后，用于研究不同陽離子的優(yōu)先吸附特性。1.電吸附電極材料的研究6.復合電極電吸附（EST）技術(shù)研究2.電吸附設(shè)備工作過程的研究

1）電吸附的工藝研究電極的飽和

水中離子及溶解的礦物質(zhì)的多少稱為水的礦化度。礦化度大，水中的可溶礦物含量也就越多，對電吸附的電極要求也就越高，其主要的是電極的表面積。在一特定表面積的一對電極形成的電場中，處理一定量的水量后，陰、陽電極就會聚集一定量的離子（粒子），這些同類離子層間就會產(chǎn)生巨大的排斥力，使后來的離子（粒子）不能被吸附而隨水流走，失去淡化作用，此時稱之為電極的飽和。對于某一成品的設(shè)備，電極工作吸附量的值量可用下式計算：

式中，v為電極間的平均線流速；t為工作周期的工作歷時間；G為進水的礦化度；g為出水的礦化度

電吸附（EST）技術(shù)研究2.電吸附設(shè)備工作過程的研究1）電2.電吸附設(shè)備工作過程的研究

電極的恢復當電極達到飽和時，就必須進行電極的恢復.恢復的方法是將電極的極性改變，也就是將電極反相。利用同極性相斥的原理，將吸附在電極土的帶電離子(粒子)排斥釋放到流動的水流中隨水流出。這樣電極就得到了有效的恢復。

工作電壓與電流密度在電吸附的工作過程中，在電流的作用下，陽極一水流一陰極就形成了一個完整的閉合電路。在這個電路中的運行電流與電極的面積之比稱其為電極的運行電流密度，而滿足工作電流密度下的電壓，稱其為工作電壓。電流密度的大小，是與要處理的原水水質(zhì)成正比的，水的礦化度越大在得到同樣的脫鹽率的情況下，所使用的電流密度也就越大。對于特定的設(shè)備，為了得到一定的脫鹽率，一般情況下是根據(jù)原水的礦化度先設(shè)定電流密度。電壓的高低，一般按滿足電流的需要來設(shè)定，但所使用的電壓一般在一對電極間不超過1.2V。2.電吸附設(shè)備工作過程的研究電極的恢復工作電壓與電流密度2.電吸附設(shè)備工作過程的研究

2）電吸附的工藝流程2.電吸附設(shè)備工作過程的研究2）電吸附的工藝流程2.電吸附設(shè)備工作過程的研究

2.電吸附設(shè)備工作過程的研究2.電吸附設(shè)備工作過程的研究

2）電吸附過程影響因素的研究電壓對吸附工作過程的影響研究表明，隨著電壓增大，電極的吸附量也顯增多。不同電壓下，電吸附設(shè)備的能耗與除鹽率的對比對理想電壓的選擇也有著重要的影響。一般來說在較高的除鹽率情況下，選擇能耗相對較低的電壓。流量對吸附工作過程的影響研究表明，工作出水電導率隨著流量的增大而升高。不同流量下的能耗與除鹽率的比較需要綜合考慮能耗和除鹽率，從而判斷電吸附設(shè)備的最佳工作流量。2.電吸附設(shè)備工作過程的研究2）電吸附過程影響因素的研究電重碳酸鹽堿度對吸附的影響離子脫附率，是再生過程中電極脫附離子量與工作過程電極吸附離子量的比值，可反映電極的再生效果。

2.電吸附設(shè)備工作過程的研究

重碳酸鹽酸化吹脫對吸附的影響

在利用電吸附設(shè)備處理高堿度的含鹽水時，首先進行酸化吹脫盡量去除水中的HCO3-，可以減少其對電吸附設(shè)備的負面影響。工作及再出生水的堿度

連續(xù)8個周期的出水電導率重碳酸鹽堿度對吸附的影響2.電吸附設(shè)備工作過程的研究重碳酸電吸附（EST）技術(shù)研究2.電吸附的模塊設(shè)計

EST模塊可由左右端極、陰陽電極接頭、高效功能性材料陰極板和陽極板、隔離密封墊、壓緊螺栓螺母、支承架等組成，陰、陽電極板和隔離密封墊之間形成水流通道，同時設(shè)置了進出水管路。

EST模塊示意圖

電吸附（EST）技術(shù)研究2.電吸附的模塊設(shè)計EST電吸附研究方案電吸附技術(shù)處理工業(yè)廢水鹽堿分離實驗研究。1.1高性能電極材料的研制；1.2電吸附技術(shù)處理工業(yè)廢水的試驗研究（1）電極材料對工業(yè)廢水鹽堿分離的影響；（2）電壓、溶液流量、含碳酸鹽濃度等工藝條件參數(shù)對工業(yè)廢水鹽堿分離的影響。電吸附研究方案電吸附技術(shù)處理工業(yè)廢水鹽堿分離實驗研究。電吸附研究方案電吸附研究方案電吸附研究方案設(shè)備規(guī)格與型號儲存容器1m×1m×1m不銹鋼2~3個氣路管線尺寸Φ3mm×0.5mm不銹鋼管真空泵流量：5m3/h，揚程：10m2~3個流量計最高流速：5m/s電能表220V，50Hz，標定電流：10A設(shè)備參數(shù)電吸附研究方案設(shè)備規(guī)格與型號儲存容器1m×1m×1m電吸附研究方案項目技術(shù)指標進水平均電導率，μs/cm<1500出水平均電導率，μs/cm<750平均水流量，m3/h1~1.2耗電量，kW/h<0.6工藝指標電吸附研究方案項目技術(shù)指標進水平均電導率，μs/cm<15電吸附研究方案實驗條件的確定（1）高性能電極材料：碳纖維材料；電極尺寸：1800mm×300mm×215mm（2）氣路管線材料：不銹鋼管（3）操作溫度及儀器進樣口溫度：常溫（4）實驗用水要求：樣品水；進樣量：1.2m3/h（5）操作壓力：真空泵抽壓力：0.1Pa過程壓力：0.1Pa~600kPa電吸附研究方案實驗條件的確定電吸附研究方案實驗內(nèi)容（1）電極材料的影響實驗作為性能優(yōu)良的雙電層電極必須具備4個條件：高的比表面積；好的導電性；好的極化能力；與反應(yīng)液不發(fā)生任何化學反應(yīng)。由于碳材料如活性炭、炭氣凝膠及活性炭纖維等不僅導電性能良好，而且具有很大的比表面積，置于靜電場中時，能在其與電解質(zhì)溶液界面處產(chǎn)生很強的雙電層。在實驗過程中，電導率下降得愈快、程度越大，則在其它條件相同的條件下電極性能越好。本實驗中選取不銹鋼，活性炭，炭氣凝膠以及碳纖維納米復合材料等作為電極，分別做出其電導率-時間吸附曲線，從而對電極材質(zhì)對電吸附的影響進行分析。電吸附研究方案實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容（2）工作電壓的影響實驗改變每對電極兩端電壓，分析不同電壓下的能耗和除鹽率的變化，以期得到關(guān)系曲線。（3）流量的影響實驗保持每對電極兩端電壓不變，改變電吸附設(shè)備的流量，分析不同流量下的能耗和除鹽率的變化，以期得到關(guān)系曲線。（4）重碳酸鹽含量的影響實驗保持其他實驗條件不變，測量不同堿度下Cl-和HCO3-的脫附率。電吸附研究方案實驗內(nèi)容電吸附研究方案假設(shè)：水流通過一根1m長的水平直通管，其中入口速度是0.3m/s，工業(yè)廢水的密度約為1070kg/m3，運動粘度為μ=2x10-5kg/(ms)，管內(nèi)徑為0.03m。計算出雷諾數(shù)為450，可知該流體運動為層流流動。下面在GAMBIT中建立該湍流模型并對其進行網(wǎng)格化分。模擬工業(yè)廢水在直行管道內(nèi)的流動假設(shè)：水流通過一根1m長的水平直通管，其中入口速度是0.3m經(jīng)過FLUENT模擬運算，可以得到工業(yè)廢水在直行管道中的流動速度分布，和速度矢量圖，由于液體的粘流性能，出現(xiàn)了掛壁現(xiàn)象，也就是中間速度高于管壁的速度，可以通過改變液體的粘流系數(shù)和密度等物理性能計算出所需要的實際層流速度，如下所示：工業(yè)廢水在直行管道中的流動速度分布經(jīng)過FLUENT模擬運算，可以得到工業(yè)廢水在直行管道中的流動工業(yè)廢水在直行管道中的流動速度矢量圖工業(yè)廢水在直行管道中的流動速度矢量圖假設(shè)2：水流通過直行管道的接頭處，其中入口速度是0.3m/s，模擬其在彎管內(nèi)的流動速度分布。先用GAMBIT模擬彎管構(gòu)型并對其進行網(wǎng)格化分。模擬工業(yè)廢水在彎管內(nèi)的流動假設(shè)2：水流通過直行管道的接頭處，其中入口速度是0.3m/s工業(yè)廢水在彎管接頭中的流動速度分布圖經(jīng)過FLUENT模擬運算，可以得到工業(yè)廢水在彎管街頭處的流動速度分布，和速度矢量圖，如下所示：工業(yè)廢水在彎管接頭中的流動速度分布圖經(jīng)過FLUENT模擬運算工業(yè)廢水在彎管接頭中的流動速度矢量圖工業(yè)廢水在彎管接頭中的流動速度矢量圖假設(shè)3：含有酸堿鹽雜質(zhì)的工業(yè)廢水通過電極板時，自由移動的離子在外加電場的作用下發(fā)偏移，電而極表面就可以吸附溶液中的帶電粒子。下面模擬一個帶正電的離子在電極板中的運動。先用GAMBIT模擬出電極板內(nèi)空間以及帶電粒子，并對其進行網(wǎng)格化分（為了明顯看出試驗效果，將離子體積擴大化處理）模擬工業(yè)廢水在電極板間的流動假設(shè)3：含有酸堿鹽雜質(zhì)的工業(yè)廢水通過電極板時，自由移動的離子利用FLUENT的動網(wǎng)格模型，模擬出在水平流速為0.3m/s，電壓為1.5V時，利用Stokes定律，如下，模擬單個帶電粒子在電極場中的運動情況。初始狀態(tài)下工業(yè)廢水中帶電粒子的位置利用FLUENT的動網(wǎng)格模型，模擬出在水平流速為0.3m/s在Stocks定律中，已知式中：u為離子向電極的運動速度；η為水的粘度；r為離子的有效半徑。則離子向電極的運動方程為

其中：E為電場強度；m為離子質(zhì)量。對其積分，并由初始條件u(0)=0，可得

假設(shè)電吸附過程中，待吸附離子到達電極界面時，溶液流經(jīng)電極的特征長度為l，則時間為t=l/v。離子向電極的運動方程為：在t時間內(nèi)離子受電極作用移動的距離W滿足其中：離子質(zhì)量的數(shù)量級為10-26kg；離子半徑的數(shù)量級為10-10m；溶液粘度的數(shù)量級為10-3這樣，，，在Stocks定律中，已知式中：u為離子向電極的運動速度；η會在極短的時間內(nèi)趨近于0。則離子向電極界面運動速度為，在電吸附過程中，施加的電極電壓在溶液分解電壓以下，且電極間距很小，一般不超過5mm。在模擬過程中，設(shè)定運動粘度為μ=2x10-5kg/(ms)，F(xiàn)e3+所帶電量為4.8×10^-19C，其離子半徑為55pm，假設(shè)電場均勻，則電場強度E=300v/m，計算得出離子向電極界面運動速度為6.948x10-3m/s。水平水流速度已知為0.3m/s，利用FLUENT動態(tài)模擬出0.1s和0.3s時的離子運動情況。會在極短的時間內(nèi)趨近于0。則離子向電極界面運動速度為，在電吸，，0.1s時帶電粒子在電極場中的位置0.3s時帶電粒子在電極場中的位置，，0.1s時帶電粒子在電極場中的位置0.3s時帶電粒子在電，，模擬工業(yè)廢水在電極板間的流動實驗?zāi)M：1）在保證一定的水平水流速度0.3m/s以及其他物理參數(shù)不變的前提下，改變外加電壓的大小。電壓(V)0.511.52垂直電場速度（m/s）2.316x10-34.632x10-36.948x10-39.264x10-3電壓(V)2.533.54垂直電場速度（m/s）11.58x10-313.896x10-316.212x10-318.528x10-3，，模擬工業(yè)廢水在電極板間的流動實驗?zāi)M：1）在保證一定的水，，將各個參數(shù)帶入FLUENT模擬器，迭代到終點，分別模擬出各個電壓下帶電粒子在電極場中運動，如下圖所示帶電粒子在1.5v電極場中的位置帶電粒子在2v電極場中的位置帶電粒子在1v電極場中的位置帶電粒子在0.5v電極場中的位置，，將各個參數(shù)帶入FLUENT模擬器，迭代到終點，分別模擬出帶電粒子在3.5v電極場中的位置帶電粒子在4v電極場中的位置帶電粒子在2.5v電極場中的位置帶電粒子在3v電極場中的位置帶電粒子在3.5v電極場中的位置帶電粒子在4v電極場中的位置，，將單個離子群聚化，模擬帶同一電荷的粒子流在電極板間的流動。用GAMBIT做出電極板區(qū)域內(nèi)運動的網(wǎng)格模型：在與單個離子運動相同的情況下，用FLUENT對帶點粒子流進行模擬，查看電極板間帶電粒子濃度的分布情況：，，將單個離子群聚化，模擬帶同一電荷的粒子流在電極板間的流動同一電子流在4v電極場中的流動同一電子流在4v電極場中的流動從上面的模擬中可以看出，當外加電壓越大，被電極板所吸附的帶電粒子越多，工業(yè)廢水的堿分離也就越徹底。同一電子流在2v電極場中的位置從上面的模擬中可以看出，當外加電壓越大，被電極板所吸附的帶電，，模擬工業(yè)廢水在電極板間的流動實驗?zāi)M：2）在保證一定的外加電壓1.5v以及其他物理參數(shù)不變的前提下，改變水平流量的大小水平流動流量(m3/h)0.250.50.751.00水平流速（m/s）0.10.20.30.4水平流動流量(m3/h)1.251.522.5水平流速（m/s）0.50.60.81.0，，模擬工業(yè)廢水在電極板間的流動實驗?zāi)M：2）在保證一定的外，，將各個參數(shù)帶入FLUENT模擬器，迭代到終點，分別模擬出不同流量下帶電粒子在電極場中運動，如下圖所示流量0.25m3/h帶電粒子電極場中的位置流量0.5m3/h帶電粒子電極場中的位置流量0.75m3/h帶電粒子電極場中的位置流量1m3/h帶電粒子電極場中的位置，，將各個參數(shù)帶入FLUENT模擬器，迭代到終點，分別模擬出，，流量1.25m3/h帶電粒子電極場中的位置流量1.5m3/h帶電粒子電極場中的位置流量2m3/h帶電粒子電極場中的位置流量2.5m3/h帶電粒子電極場中的位置，，流量1.25m3/h帶電粒子電極場中的位置流量1.5m3，，將單個離子群聚化，模擬帶同一電荷的粒子流在電極板間的流動。流量0.25m3/h帶電粒子流在電極場中的運動，，將單個離子群聚化，模擬帶同一電荷的粒子流在電極板間的流動從上面的模擬中可以看出，水平流量越大，被電極板所吸附的帶電粒子越少，工業(yè)廢水的堿分離也就越不徹底。流量0.5m3/h帶電粒子流在電極場中的運動從上面的模擬中可以看出，水平流量越大，被電極板所吸附的帶電粒模擬工業(yè)廢水在電極板間的流動實驗?zāi)M：3）在保證一定的外加電壓1.5v，一定的水平流量0.75m3/h，以及其他物理參數(shù)不變的前提下，改變工業(yè)廢水在電極板之間的吸附時間。0.05s時帶電粒子在電極場中的位置0.3s時帶電粒子在電極場中的位置0.03s時帶電粒子在電極場中的位置0.1s時帶電粒子在電極場中的位置0.3s時帶電粒子在電極場中的位置模擬工業(yè)廢水在電極板間的流動實驗?zāi)M：3）在保證一定的外加電從上面的模擬中可以看出，想要工業(yè)廢水中的酸堿鹽離子被徹底吸附，就需要延長吸附時間?？偨Y(jié)通過綜合模擬可以看出：加大電極板間電壓，可以提高出口處流體中酸堿鹽雜質(zhì)的含量；適當減小流體流量可以提高出口處流體中酸堿鹽雜質(zhì)的含量；適當延長吸附時間可以提高出口處流體中酸堿鹽雜質(zhì)的含量。從上面的模擬中可以看出，想要工業(yè)廢水中的酸堿鹽離子被徹底吸附電吸附技術(shù)北京化工大學機電工程學院電吸附技術(shù)北京化工大學機電工程學院電吸附（EST）技術(shù)簡介1.什么是電吸附？------電吸附技術(shù)（ElectrosorbTechnology），又稱電容性除鹽技術(shù)（CDI），是20世紀90年代末開始興起的一項新型水處理技術(shù)。其基本原理是基于電化學中的雙電層理論，利用帶電電極表面的電化學特性來實現(xiàn)水中帶電粒子的去除、有機物的分解等目的。電吸附（EST）技術(shù)簡介1.什么是電吸附？------電吸附電吸附（EST）技術(shù)簡介2.電吸附技術(shù)原理

------電吸附的原理目前廣泛應(yīng)用的是雙電層模型。在施加電位時，在電極溶液界面形成雙電層。當電極表面不帶電荷時，主要被所吸附的水偶極分子覆蓋，別的表面離子和分子也可能通過接觸吸附。而當電極通電時，電極的電荷被帶相反電荷的離子或帶電粒子在雙電層的電解液一側(cè)通過吸附補償，或通過在外亥姆霍茲面(outerHelmholtzplane)與擴散層(Gouy-Chapman擴散層)富集相反電荷得到補償。這樣離子或帶電粒子就會在電極表面富集濃縮，使被處理水中的鹽類、膠體顆粒及其它帶電物質(zhì)的濃度大大降低，從而實現(xiàn)水的除鹽、去硬、淡化和凈化。

電吸附（EST）技術(shù)簡介2.電吸附技術(shù)原理------電吸2.電吸附技術(shù)原理

雙電層模型理論

根據(jù)電化學理論，在電極與電解質(zhì)溶液的兩相間施加低于溶液的分解電壓時，電荷會在極短距離內(nèi)重新分布、排列。作為補償，帶電電極會吸引溶液中的帶相反電荷的離子，界面剩余電荷的變化將引起界面雙電層電位差的改變，從而形成緊密的雙電層，并在電極和電解液界面存儲電荷。

目前廣泛應(yīng)用的雙電層模型是Gouy-Chapman-Stern(GCS)模型。GCS模型認為，雙電層包括緊密層與分散層兩個部分，雙電層總的電壓降等于緊密層的電壓降和分散層的電壓降之和。在GCS雙電層模型基礎(chǔ)之上，Ying等建立了考慮微孔區(qū)雙電層重疊效應(yīng)的模型：

式中：ψd為分散層電壓；V為外電壓；Φecm為電毛細極大值時電極電位；σ0為電荷面密度，C/m2；C1為內(nèi)層電容，F(xiàn)/m2。

2.電吸附技術(shù)原理雙電層模型理論根據(jù)電化學理論，Hou等為了研究在納米材料孔洞內(nèi)雙電層的形成，采用了修正的雙電層模型。

2.電吸附技術(shù)原理

式中：ψ為雙電層電壓，V；ψd為分散層電壓，V；ψ0為表面電壓，V；ψm為中板電壓，V。Hou等為了研究在納米材料孔洞內(nèi)雙電層的形成，采用了修正的雙2.電吸附技術(shù)原理

電極吸附量計算根據(jù)雙電層理論，電極表面的離子吸附量與體相濃度及表面電位之間有如下關(guān)系：令

則

式中：q—表面電荷數(shù)；ε—水在電極表面的介電常數(shù)；C—水中離子濃度；z—離子電價數(shù)；F—法拉第常數(shù)；Φ—電極表面電位；R—通用氣體常數(shù)；T—熱力學溫度；n—實驗所得常數(shù)

2.電吸附技術(shù)原理電極吸附量計算根據(jù)雙電層理論，電極表面雙電層電荷量的影響因素2.電吸附技術(shù)原理

雙電層電荷量與溫度的關(guān)系

電極界面雙電層飽和電荷量對溫度是非常敏感的，隨溫度升高而迅速降低。原因有兩方面：第一，由于溫度升高，電極過電位減小，電場力減弱，電極表面對離子的吸附能力降低；第二，溫度上升后，溶液粘度下降，電極表面對離子的粘附力減小。

雙電層電荷量的影響因素2.電吸附技術(shù)原理雙電層電荷量與溫度2.電吸附技術(shù)原理

雙電層電荷量與溶液物質(zhì)的量濃度的關(guān)系

電極界面雙電層電荷量隨溶液物質(zhì)量濃度的增大而增大，但由于電荷量與離子的物質(zhì)量濃度的平方根成正比，電荷量在高濃度時增加很少，因此電吸附優(yōu)勢在原水含鹽量很高時逐漸消失，適合處理鹽濃度較低的溶液。2.電吸附技術(shù)原理雙電層電荷量與溶液物質(zhì)的量濃度的關(guān)系電2.電吸附技術(shù)原理

雙電層電荷量與電極電勢的關(guān)系

電極界面雙電層電荷量對電極電勢也是非常敏感的，隨電極電勢的增大而迅速增大。但當電勢過高時，導致溶液電解反應(yīng)的發(fā)生，增加了能耗。

2.電吸附技術(shù)原理雙電層電荷量與電極電勢的關(guān)系電2.電吸附技術(shù)原理除鹽原理2.電吸附技術(shù)原理除鹽原理2.電吸附技術(shù)原理降解COD原理在雙電層的溶液一側(cè)，包含溶劑分子和特性吸附的一些其它物質(zhì)(離子或分子)，溶劑化離子同荷電的電極的相互作用，僅僅涉及遠程的靜電力，因此它們的相互作用從本質(zhì)上說與離子的化學性質(zhì)無關(guān)，這些離子被稱為非特性吸附離子。在強電場作用下，在電極表面生成壽命短、氧化性極強的活性物質(zhì),主要為·OH羥基自由基，可以使一些難以降解的有機污染物質(zhì)更容易被分解,并且不會造成無二次污染。

2.電吸附技術(shù)原理降解COD原理在雙電層的溶液一側(cè)，電吸附（EST）技術(shù)研究1.電吸附電極材料的研究

電吸附技術(shù)除鹽，電極是電吸附技術(shù)的關(guān)鍵。按照材料的不同，國內(nèi)外主要研究包括以石墨、活性炭、活性炭纖維和炭氣凝膠等材料做電極的電吸附技術(shù)。電極示意圖電吸附（EST）技術(shù)研究1.電吸附電極材料的研究電吸附技術(shù)1.電吸附電極材料的研究

1）石墨電極石墨作為一種經(jīng)典的電極材料，盡管其本身并沒有顯著的吸附能力，但可用作電吸附劑。石墨電極作為最早的電極材料曾一度引起許多研究者的興趣，它有著良好的機械性能及可加工性，在電吸附初級階段得到了一定的發(fā)展，隨著新型炭材料的出現(xiàn)逐漸被取代。

1.電吸附電極材料的研究1）石墨電極1.電吸附電極材料的研究

2.活性炭電極活性炭是水處理中應(yīng)用最為廣泛的吸附劑，有活性炭粉末和活性炭顆粒兩種產(chǎn)品形態(tài)，具有生產(chǎn)簡單、成本低等優(yōu)點。

盡管研究表明活性炭具有良好的去除重金屬離子的效果，但是由于活性炭電極本身高電阻和傳質(zhì)阻力的缺點限制了它在實際中的應(yīng)用。1.電吸附電極材料的研究2.活性炭電極1.電吸附電極材料的研究

3.活性碳纖維電極（ACF)活性碳纖維有高比表面積和較大的吸附容量，并且活性碳纖維制品種類眾多，有毛氈(無紡布)、紙片、蜂窩狀物、織物、雜亂的短纖維和纖維束等形狀，因為可以直接剪成合適的尺寸做電極片，使得活性碳纖維作為電吸附電極更簡單方便，易于實現(xiàn)。1.電吸附電極材料的研究3.活性碳纖維電極（ACF)1.電吸附電極材料的研究

4.碳納米管電極碳納米管具有特殊的中空結(jié)構(gòu)、大的比表面積、低電阻率和很高的穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于電池材料、儲氫材料、平面顯示器材料、化學傳感器材料和超大容量電容器材料等領(lǐng)域。1.電吸附電極材料的研究4.碳納米管電極1.電吸附電極材料的研究

5.炭氣凝膠電極炭氣凝膠(Carbonaerogels)是一種新型的多孔炭材料，在過去10年中得到了廣泛的應(yīng)用。炭氣凝膠由美國LawrenceLivemore國家實驗室研制開發(fā)，它是由間苯二酚——甲醛聚合物凝膠裂解而制，可以根據(jù)需要制成不同的形狀，如塊狀、珠狀和薄膜紙狀。炭氣凝膠由許多納米開孔(3~30nm)和中間孔(<50nm)構(gòu)成，比表面積通常很大(400~1100㎡/g)，電導率很高(10~100S/cm)。炭氣凝膠電容性電吸附去除水溶液中重金屬和無機鹽的研究表明，炭氣凝膠用作電吸附劑在水體凈化等諸多領(lǐng)域擁有更為廣闊的空間。1.電吸附電極材料的研究5.炭氣凝膠電極1.電吸附電極材料的研究

炭氣凝膠1.電吸附電極材料的研究炭氣凝膠1.電吸附電極材料的研究

6.復合電極Yang等制備了比表面積為900～1700m2/g、密度為0.05g/cm3的碳氣凝膠。再將硅膠按不同比例加入到碳氣凝膠中，通過黏貼滾壓法即可制成電極。

Zhang等和Dai等用活性炭和碳納米管制備了復合電極片。研究結(jié)果表明，含質(zhì)量分數(shù)為10%碳納米管的復合電極的除鹽性能最好，并且很容易高效再生。

Gao等用碳納米管和納米纖維制備了復合薄膜電極(CNTs-CNFs)。實驗中用直流式磁控電鍍法在0.3mm厚的石墨基底上沉積一薄層Ni催化劑，再用低壓低溫熱化學氣相沉積法制備CNTs–CNFs薄膜電極。該電極用0.5mol/L的HCl浸泡去除催化劑Ni之后，用于研究不同陽離子的優(yōu)先吸附特性。1.電吸附電極材料的研究6.復合電極電吸附（EST）技術(shù)研究2.電吸附設(shè)備工作過程的研究

1）電吸附的工藝研究電極的飽和

水中離子及溶解的礦物質(zhì)的多少稱為水的礦化度。礦化度大，水中的可溶礦物含量也就越多，對電吸附的電極要求也就越高，其主要的是電極的表面積。在一特定表面積的一對電極形成的電場中，處理一定量的水量后，陰、陽電極就會聚集一定量的離子（粒子），這些同類離子層間就會產(chǎn)生巨大的排斥力，使后來的離子（粒子）不能被吸附而隨水流走，失去淡化作用，此時稱之為電極的飽和。對于某一成品的設(shè)備，電極工作吸附量的值量可用下式計算：

式中，v為電極間的平均線流速；t為工作周期的工作歷時間；G為進水的礦化度；g為出水的礦化度

電吸附（EST）技術(shù)研究2.電吸附設(shè)備工作過程的研究1）電2.電吸附設(shè)備工作過程的研究

電極的恢復當電極達到飽和時，就必須進行電極的恢復.恢復的方法是將電極的極性改變，也就是將電極反相。利用同極性相斥的原理，將吸附在電極土的帶電離子(粒子)排斥釋放到流動的水流中隨水流出。這樣電極就得到了有效的恢復。

工作電壓與電流密度在電吸附的工作過程中，在電流的作用下，陽極一水流一陰極就形成了一個完整的閉合電路。在這個電路中的運行電流與電極的面積之比稱其為電極的運行電流密度，而滿足工作電流密度下的電壓，稱其為工作電壓。電流密度的大小，是與要處理的原水水質(zhì)成正比的，水的礦化度越大在得到同樣的脫鹽率的情況下，所使用的電流密度也就越大。對于特定的設(shè)備，為了得到一定的脫鹽率，一般情況下是根據(jù)原水的礦化度先設(shè)定電流密度。電壓的高低，一般按滿足電流的需要來設(shè)定，但所使用的電壓一般在一對電極間不超過1.2V。2.電吸附設(shè)備工作過程的研究電極的恢復工作電壓與電流密度2.電吸附設(shè)備工作過程的研究

2）電吸附的工藝流程2.電吸附設(shè)備工作過程的研究2）電吸附的工藝流程2.電吸附設(shè)備工作過程的研究

2.電吸附設(shè)備工作過程的研究2.電吸附設(shè)備工作過程的研究

2）電吸附過程影響因素的研究電壓對吸附工作過程的影響研究表明，隨著電壓增大，電極的吸附量也顯增多。不同電壓下，電吸附設(shè)備的能耗與除鹽率的對比對理想電壓的選擇也有著重要的影響。一般來說在較高的除鹽率情況下，選擇能耗相對較低的電壓。流量對吸附工作過程的影響研究表明，工作出水電導率隨著流量的增大而升高。不同流量下的能耗與除鹽率的比較需要綜合考慮能耗和除鹽率，從而判斷電吸附設(shè)備的最佳工作流量。2.電吸附設(shè)備工作過程的研究2）電吸附過程影響因素的研究電重碳酸鹽堿度對吸附的影響離子脫附率，是再生過程中電極脫附離子量與工作過程電極吸附離子量的比值，可反映電極的再生效果。

2.電吸附設(shè)備工作過程的研究

重碳酸鹽酸化吹脫對吸附的影響

在利用電吸附設(shè)備處理高堿度的含鹽水時，首先進行酸化吹脫盡量去除水中的HCO3-，可以減少其對電吸附設(shè)備的負面影響。工作及再出生水的堿度

連續(xù)8個周期的出水電導率重碳酸鹽堿度對吸附的影響2.電吸附設(shè)備工作過程的研究重碳酸電吸附（EST）技術(shù)研究2.電吸附的模塊設(shè)計

EST模塊可由左右端極、陰陽電極接頭、高效功能性材料陰極板和陽極板、隔離密封墊、壓緊螺栓螺母、支承架等組成，陰、陽電極板和隔離密封墊之間形成水流通道，同時設(shè)置了進出水管路。

EST模塊示意圖

電吸附（EST）技術(shù)研究2.電吸附的模塊設(shè)計EST電吸附研究方案電吸附技術(shù)處理工業(yè)廢水鹽堿分離實驗研究。1.1高性能電極材料的研制；1.2電吸附技術(shù)處理工業(yè)廢水的試驗研究（1）電極材料對工業(yè)廢水鹽堿分離的影響；（2）電壓、溶液流量、含碳酸鹽濃度等工藝條件參數(shù)對工業(yè)廢水鹽堿分離的影響。電吸附研究方案電吸附技術(shù)處理工業(yè)廢水鹽堿分離實驗研究。電吸附研究方案電吸附研究方案電吸附研究方案設(shè)備規(guī)格與型號儲存容器1m×1m×1m不銹鋼2~3個氣路管線尺寸Φ3mm×0.5mm不銹鋼管真空泵流量：5m3/h，揚程：10m2~3個流量計最高流速：5m/s電能表220V，50Hz，標定電流：10A設(shè)備參數(shù)電吸附研究方案設(shè)備規(guī)格與型號儲存容器1m×1m×1m電吸附研究方案項目技術(shù)指標進水平均電導率，μs/cm<1500出水平均電導率，μs/cm<750平均水流量，m3/h1~1.2耗電量，kW/h<0.6工藝指標電吸附研究方案項目技術(shù)指標進水平均電導率，μs/cm<15電吸附研究方案實驗條件的確定（1）高性能電極材料：碳纖維材料；電極尺寸：1800mm×300mm×215mm（2）氣路管線材料：不銹鋼管（3）操作溫度及儀器進樣口溫度：常溫（4）實驗用水要求：樣品水；進樣量：1.2m3/h（5）操作壓力：真空泵抽壓力：0.1Pa過程壓力：0.1Pa~600kPa電吸附研究方案實驗條件的確定電吸附研究方案實驗內(nèi)容（1）電極材料的影響實驗作為性能優(yōu)良的雙電層電極必須具備4個條件：高的比表面積；好的導電性；好的極化能力；與反應(yīng)液不發(fā)生任何化學反應(yīng)。由于碳材料如活性炭、炭氣凝膠及活性炭纖維等不僅導電性能良好，而且具有很大的比表面積，置于靜電場中時，能在其與電解質(zhì)溶液界面處產(chǎn)生很強的雙電層。在實驗過程中，電導率下降得愈快、程度越大，則在其它條件相同的條件下電極性能越好。本實驗中選取不銹鋼，活性炭，炭氣凝膠以及碳纖維納米復合材料等作為電極，分別做出其電導率-時間吸附曲線，從而對電極材質(zhì)對電吸附的影響進行分析。電吸附研究方案實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容（2）工作電壓的影響實驗改變每對電極兩端電壓，分析不同電壓下的能耗和除鹽率的變化，以期得到關(guān)系曲線。（3）流量的影響實驗保持每對電極兩端電壓不變，改變電吸附設(shè)備的流量，分析不同流量下的能耗和除鹽率的變化，以期得到關(guān)系曲線。（4）重碳酸鹽含量的影響實驗保持其他實驗條件不變，測量不同堿度下Cl-和HCO3-的脫附率。電吸附研究方案實驗內(nèi)容電吸附研究方案假設(shè)：水流通過一根1m長的水平直通管，其中入口速度是0.3m/s，工業(yè)廢水的密度約為1070kg/m3，運動粘度為μ=2x10-5kg/(ms)，管內(nèi)徑為0.03m。計算出雷諾數(shù)為450，可知該流體運動為層流流動。下面在GAMBIT中建立該湍流模型并對其進行網(wǎng)格化分。模擬工業(yè)廢水在直行管道內(nèi)的流動假設(shè)：水流通過一根1m長的水平直通管，其中入口速度是0.3m經(jīng)過FLUENT模擬運算，可以得到工業(yè)廢水在直行管道中的流動速度分布，和速度矢量圖，由于液體的粘流性能，出現(xiàn)了掛壁現(xiàn)象，也就是中間速度高于管壁的速度，可以通過改變液體的粘流系數(shù)和密度等物理性能計算出所需要的實際層流速度，如下所示：工業(yè)廢水在直行管道中的流動速度分布經(jīng)過FLUENT模擬運算，可以得到工業(yè)廢水在直行管道中的流動工業(yè)廢水在直行管道中的流動速度矢量圖工業(yè)廢水在直行管道中的流動速度矢量圖假設(shè)2：水流通過直行管道的接頭處，其中入口速度是0.3m/s，模擬其在彎管內(nèi)的流動速度分布。先用GAMBIT模擬彎管構(gòu)型并對其進行網(wǎng)格化分。模擬工業(yè)廢水在彎管內(nèi)的流動假設(shè)2：水流通過直行管道的接頭處，其中入口速度是0.3m/s工業(yè)廢水在彎管接頭中的流動速度分布圖經(jīng)過FLUENT模擬運算，可以得到工業(yè)廢水在彎管街頭處的流動速度分布，和速度矢量圖，如下所示：工業(yè)廢水在彎管接頭中的流動速度分布圖經(jīng)過FLUENT模擬運算工業(yè)廢水在彎管接頭中的流動速度矢量圖工業(yè)廢水在彎管接頭中的流動速度矢量圖假設(shè)3：含有酸堿鹽雜質(zhì)的工業(yè)廢水通過電極板時，自由移動的離子在外加電場的作用下發(fā)偏移，電而極表面就可以吸附溶液中的帶電粒子。下面模擬一個帶正電的離子在電極板中的運動。先用GAMBIT模擬出電極板內(nèi)空間以及帶電粒子，并對其進行網(wǎng)格化分（為了明顯看出試驗效果，將離子體積擴大化處理）模擬工業(yè)廢水在電極板間的流動假設(shè)3：含有酸堿鹽雜質(zhì)的工業(yè)廢水通過電極板時，自由移動的離子利用FLUENT的動網(wǎng)格模型，模擬出在水平流速為0.3m/s，電壓為1.5V時，利用Stokes定律，如下，模擬單個帶電粒子在電極場中的運動情況。初始狀態(tài)下工業(yè)廢水中帶電粒子的位置利用FLUENT的動網(wǎng)格模型，模擬出在水平流速為0.3m/s在Stocks定律中，已知式中：u為離子向電極的運動速度；η為水的粘度；r為離子的有效半徑。則離子向電極的運動方程為

其中：E為電場強度；m為離子質(zhì)量。對其積分，并由初始條件u(0)=0，可得

假設(shè)電吸附過程中，待吸附離子到達電極界面時，溶液流經(jīng)電極的特征長度為l，則時間為t=l/v。離子向電極的運動方程為：在t時間內(nèi)離子受電極作用移動的距離W滿足其中：離子質(zhì)量的數(shù)量級為10-26kg；離子半徑的數(shù)量級為10-10m；溶液粘度的數(shù)量級為10-3這樣，，，在Stocks定律中，已知式中：u為離子向電極的運動速度；η會在極短的時間內(nèi)趨近于0。則離子向電極界面運動速度為，在電吸附過程中，施加的電極電壓在溶液分解電壓以下，且電極間距很小，一般不超過5mm。在模擬過程中，設(shè)定運動粘度為μ=2x10-5kg/(ms)，F(xiàn)e3+所帶電量為4.8×10^-19C，其離子半徑為55pm，假設(shè)電場均勻，則電場強度E=300v/m，計算得出離子向電極界面運動速度為6.948x10-3m/s。水平水流速度已知為0.3m/s，利用FLUENT動態(tài)模擬出0.1s和0.3s時的離子運動情況。會在極短的時間內(nèi)趨近于0。則離子向電極界面運動速度為，在電吸，