孫曉慰，朱國富
（常州市水處理技術(shù)協(xié)會，江蘇 常州 213022）

　　摘要：利用帶電電極表面吸附水中離子或帶電粒子從而達(dá)到凈化水或使水脫鹽的目的。對電吸附技術(shù)的研究結(jié)果表明，該技術(shù)用于水的除鹽具有能耗低、使用簡便以及對環(huán)境友好等特點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞：給水處理；電吸附；脫鹽水；水質(zhì)凈化
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　文章編號：1009-2455(2002)04-0018-03

Princple and Makeup of ElectroSorb Technology in Water Treatment
SUN Xiao-wei，ZHU Guo-fu
(ChangZhou Water Treatment Technology Association，Changzhou 213022，China)

　　Abstract：The surface of the charged electrode can absorb the ions or charged particles in water and then purifies water or removes minerals from water．The research shows that ElectroSorb technology is of low energy consumption and is environment friendly．
　　Key words：feed water treatment；ElectroSorb；demineralized water；water purification

　　電吸附水處理技術(shù)（EST）及EST模塊，不久前問諸于世。以EST模塊為核心組裝而成的處理系統(tǒng)可用于水的除鹽、去硬、淡化及飲用水深度處理、電鍍廢水處理等等。本文根據(jù)作者在EST技術(shù)研究開發(fā)及實(shí)際應(yīng)用過程中所得結(jié)果，著重介紹EST技術(shù)的基本工作原理及有關(guān)EST模塊化設(shè)計(jì)及系統(tǒng)組合的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 電吸附水處理原理

　　EST技術(shù)是利用帶電電極表面吸附水中離子或帶電粒子的現(xiàn)象，使水中溶解的鹽類及其它帶電物質(zhì)在電極表面富集濃縮而實(shí)現(xiàn)水的凈化或淡化。圖1為電吸附水處理的原理示意圖。原水從一端進(jìn)入由陰、陽電極形成的通道，最終從另一端流出。原水在陰、陽電極之間流動時(shí)受到電場作用，水中離子或帶電粒子將分別向帶相反電荷的電極遷移，被該電極吸附，儲存在電極表面所形成的雙電層中。隨著離子/帶電粒子在電極表面富集濃縮，使通道水中的溶解鹽類、膠體顆粒及其它帶電物質(zhì)的濃度大大降低，從而實(shí)現(xiàn)了水的除鹽及凈化。

1.1 電極吸附量計(jì)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：

　　
　　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(jià)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(xué)溫度；
　　　　　n－實(shí)驗(yàn)所得常數(shù)。
　　從上式可以看出，當(dāng)電極表面電位達(dá)到一定值時(shí)，雙電層離子濃度可達(dá)溶液體相濃度的成百上千倍。
1.2 EST電極的吸附
　　當(dāng)含有一定量鹽類的原水經(jīng)過由高功能電極材料組成的EST模塊時(shí)，離子在直流電場的作用下被儲存在電極表面的雙電層中，直至電極達(dá)到飽和。此時(shí)，將直流電源去掉，并將正負(fù)電極短接，由于直流電場的消失，儲存在雙電層中的離子又重新回到通道中，隨水流排出，電極也由此得到再生。
　　EST模塊處理效果的好壞主要取決于電極的吸附性能。通常，對材料吸附能力的描述是通過獲得吸附等溫線來進(jìn)行的，而對電吸附來說，除了要考慮到溫度的影響外，還必須考慮電極電勢的影響。因此，本技術(shù)的研究是從通過測定等溫等電勢線，了解掌握電極材料的電吸附性能著手。
　　圖2示出電極材料對氯化鈉的吸附等溫等電勢線。實(shí)驗(yàn)條件為溫度25℃，電極電壓1V。通過對曲線的回歸計(jì)算；得出吸附量與平衡濃度的關(guān)系，如下式所示，吸附量與平衡濃度呈平方根關(guān)系，符合上述雙層理論計(jì)算式的預(yù)測。
　　m_ad=0.6·C^0.50
　　式中：m_ad－每克電極材料的吸附量，mg/g；
　　　　　　C－氯化鈉溶液的平衡濃度，mg/L。

2 EST模塊設(shè)計(jì)

2.1 EST模塊
　　用高效功能性電極材料，依據(jù)水力學(xué)、電化學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子控制學(xué)理論設(shè)計(jì)加工成電吸附水處理設(shè)備的組合單元件——EST模塊，這是使這一技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。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(shí)設(shè)置了進(jìn)出水管路。EST模塊及其結(jié)構(gòu)示意見圖3。

　　端極和支承架是固定電極板和承受水流壓力、自重的零件，必須是絕緣性好，有較高機(jī)械強(qiáng)度的材料。進(jìn)出水管道及閥門在設(shè)置時(shí)，也應(yīng)充分顧及水流暢通及控制調(diào)節(jié)方便等因素。
2.2 EST模塊工作過程
　　原水從EST模塊的進(jìn)水端導(dǎo)入，經(jīng)過陽極板－隔框－陰極板，陰極板－隔框－陽極板……多對電極與隔框組成的水流通道，最后從出水端排出，其工作過程如圖4曲線所示。運(yùn)行時(shí)，進(jìn)出水閥門開啟，直流電源接通，即可以產(chǎn)生電導(dǎo)率大大低于原水的除鹽水。試驗(yàn)表明，當(dāng)進(jìn)水含鹽量在1000mg/L以下時(shí)，經(jīng)EST模塊處理后出水電導(dǎo)率低于30～50μs/cm。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，一般在5～6h后，電極表面吸附量趨于飽和。此時(shí)出水電導(dǎo)將升高，系統(tǒng)將進(jìn)入再生階段。再生時(shí)，出水閥門關(guān)閉，排污閥開啟，同時(shí)直流電源斷開，EST模塊陰陽兩極短接，則工作過程中富集在電極表面的離子就會從電極表面解析下來，隨水流經(jīng)排污閥沖走，再生排水的電導(dǎo)瞬時(shí)高峰值，是原水電導(dǎo)值的5～10倍，甚至更高。再生時(shí)間一般為運(yùn)行時(shí)間的1/4～1/6，因?yàn)殡x子需要有一個擴(kuò)散穿越電極材料的過程。當(dāng)再生排水電導(dǎo)與原水電導(dǎo)相當(dāng)時(shí)，則可認(rèn)為再生結(jié)束，系統(tǒng)進(jìn)入第二個運(yùn)行周期。

2.3 EST模塊的并聯(lián)與串聯(lián)
　　針對各特定的應(yīng)用場合可根據(jù)需要將模塊作任意組合以實(shí)現(xiàn)處理目標(biāo)，當(dāng)需要處理水量大時(shí)，或需要連續(xù)供水時(shí)，則必須采用兩個或以上的工作模塊并聯(lián)運(yùn)行工作方式，一個模塊在再生，另外的模塊在工作，這種模塊化并聯(lián)運(yùn)行設(shè)計(jì)組成的設(shè)備就可以不間斷地供水和成倍的增加處理量。運(yùn)行試驗(yàn)表明EST模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí)處理水量可成倍地增加，單位出水的耗電量保持不變。
　　而當(dāng)處理水中含鹽量雜質(zhì)較多，而要求出水的純凈程度又較高時(shí)，單級EST模塊處理往往難以保證其可靠性和經(jīng)濟(jì)性，如處理海水、地下苦咸水獲取高純水，此時(shí)就必須采用多級EST模塊串聯(lián)運(yùn)行的方式。試驗(yàn)表明上ST模塊串聯(lián)運(yùn)行處理水單級單位耗電量幾乎不變，而處理深度將會隨串聯(lián)節(jié)數(shù)遞增。

3 電吸附水處理技術(shù)的特性

3.1 運(yùn)行能耗低，水利用率高
　　EST技術(shù)的能耗很低，其主要的能量消耗在于使離子發(fā)生遷移，而在電極上并沒有明顯的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，如有必要還可以將所用的能量回收一部分過來，即將吸附飽和的模塊上儲存的電能再加到另一再生好的模塊上，也即所謂的“秋千式”供電方式。這與其它除鹽技術(shù)相比可以大大地節(jié)約能源。一個實(shí)驗(yàn)?zāi)K以50t/h流量、85％除鹽率處理TDS為1000mg/L的原水時(shí)，能耗僅約為60W。其根本原因在于EST技術(shù)凈化/淡化水的原理是有區(qū)別性地將水中離子提取分離出來，而不是把水分子從待處理的原水中分離出來。
3.2 水利用率高
　　EST技術(shù)可以大大提高水的利用率，一般情況下水的利用率可以達(dá)到75％以上；如采用適當(dāng)?shù)墓に嚱M合，甚至可達(dá)90％以上。
3.3 無二次污染
　　EST技術(shù)不需任何化學(xué)藥劑來進(jìn)行水的處理，從而避免了二次污染問題。EST系統(tǒng)所排放的濃水系來自于原水，系統(tǒng)本身不產(chǎn)生新的排放物。與離子交換技術(shù)相比，省去了濃酸、濃堿的運(yùn)輸、貯存、操作上的麻煩，而且不向外界排放酸堿中和液。
3.4 操作及維護(hù)簡便
　　由于EST系統(tǒng)不采用膜類元件，因此對原水預(yù)處理的要求不高，而且即使在預(yù)處理上出一些問題也不會對系統(tǒng)造成不可修復(fù)的損壞。鐵、錳、余氯、有機(jī)物、鈣、鎂、pH值等對系統(tǒng)幾乎沒有什么影響。在停機(jī)期間也無需對核心部件作特別保養(yǎng)。系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制，自動化程度高，對操作者的技術(shù)要求較低。從理論上講，EST模塊可以長期服役，預(yù)期壽命至少在20a以上。

4 結(jié)語

　　EST技術(shù)及系統(tǒng)不僅可以被應(yīng)用在飲用水的處理上，還可以在電子電力、化工制藥、輕紡造紙等工業(yè)的工藝用水及鍋爐補(bǔ)給水處理以及環(huán)保廢水、污水處理等領(lǐng)域得到應(yīng)用?？嘞趟酥梁Ｋ瘜⑹荅ST技術(shù)的一個更加誘人的應(yīng)用領(lǐng)域。

作者簡介：
孫曉慰（1963～），男，江蘇丹陽人，1998年畢業(yè)于美國安理工大學(xué)冶金與材料工程系，獲博士學(xué)位，現(xiàn)任常州愛思特凈化設(shè)備有限公司董事長兼總經(jīng)理、常州市水處理協(xié)會會長，電話(0519)5105389，xiaowsun@pub.cz.jsinfo．net；
朱國富（1944～），男，江蘇常州人，高級工程師，現(xiàn)任常州市水處理技術(shù)協(xié)會秘書長，電話(0519)5119827，defengcz@on99.com。