改性電極材料對電容性吸附除鹽及RO濃水的處理實驗研究.pdf

1、經濟增長同時，要求協(xié)調生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性難度也逐漸增大。在水環(huán)境方面，更應該去發(fā)展循環(huán)用水以及節(jié)水型政策。近年來，電滲析、離子交換、反滲透等膜法以及生物法得到較大的發(fā)展，但是這些工藝都會產生不同濃度的二次廢水，長期積累必然造成企業(yè)甚至城市的負擔。電容性吸附具有高除鹽率、清潔環(huán)保及經濟性等優(yōu)點，學者對其處理過程已有一定研究。在改善電容性吸附材料吸附能力上，學者研究則較為少見。
　　本課題欲以電容性吸附為基礎，以活性炭纖維為基材，通過不

2、同的改性方法對其改性，以期提高NaCl鹽水及RO濃水除鹽效果，為電容性吸附及相關除鹽工藝等研究參考。實驗還對活性炭纖維進行紅外表征，并觀察改性后官能團的變化情況，結合對污染物的去除過程及效果，以圖更科學地解釋改性對電容性吸附的影響。同時利用數學方法對RO濃水除鹽及氨氮去除過程進行動力學擬合，對RO濃水電容性吸附電導率使用微分求導的方法，進一步更清楚地探討改性后材料變化對反應過程傳質吸附效果的影響。
　　實驗設計了集成的電容性吸附裝

3、置，主要通過堿、酸、金屬負載及聯合改性活性炭纖維，對NaCl鹽水及RO濃水進行實驗研究，并考察了RO濃水相關動力學過程。有關課題主要工作及實驗結果具體如下：
　?。?）設計電容性吸附裝置，利用布水通道改善通水條件，對隔板進行比選最終選用海綿保證為粒子吸收提供了有彈性充滿度和擾動，從而盡可能的提高其傳質速率。對電容性吸附裝置流量、進水濃度、以及電壓進行單因素實驗，考察不同因素對實驗的影響；并在實驗用水濃度固定下，設計三因素（流量、電

4、壓及極板間距）三水平的正交實驗，確定理想的操作條件。利用SPSS軟件進行極差和方差法分析，發(fā)現各因素對電導率平均去除率的影響大小次序為極板間距、電壓及流量。最終確定極板間距2mm、電壓2.1v、流量20ml/min，且對再生方式比較選擇短接和反接結合的方式。
　　（2）利用NaOH、KOH及氨水對活性炭纖維進行改性，記為ACF-NaOH、ACF-KOH及ACF-NH3，分別對NaCl鹽水及RO濃水處理。結果ACF-NH3對NaCl

5、鹽水和RO濃水電導率、氨氮、CODCr有去除效果最佳，平均去除率分別為19.92％、9.69%、41.80%及43.97%。另外，ACF-NaOH與ACF-KOH對各指標的去除率比較接近，堿金屬氫氧化物對活性炭纖維表面孔徑及官能團的改性表現出相似性。通過微分法對RO濃水電導率求導做變化率隨時間變化曲線，ACF-NH3表現出最好的吸附和再生效率。
　?。?）使用H2SO4、HNO3及 H3PO4對改性活性炭纖維，分別記為ACF-H2

6、SO4、ACF-HNO3及ACF-H3PO4，并進行電容性吸附NaCl鹽水和RO濃水。HNO3和H2SO4改性后電極材料去除率較高，其氧化性改善了活性炭纖維氧化基團及孔徑分布等，紅外光譜分析結果也證明了這點。其中，ACF-HNO3綜合吸附性能最佳，NaCl鹽水和RO濃水電導率、CODCr及濁度分別達到21.10%、9.83%、53.21%、88.59%。同時，ACF-H2SO4和ACF-H3PO4分別對氨氮與UV254的去除效果較好，兩

7、者對氨氮與UV254平均去除率分別為57.80%、78.16%。
　　（4）對活性炭纖維進行金屬負載改性，試劑分別為FeCl3、AgNO3及CuCl2，改性后標記為ACF-FeCl3、ACF-AgNO3和ACF-CuCl2，對NaCl鹽水及RO濃水進行電容性吸附實驗。金屬負載后電極材料官能團改變，為吸附提供了活性位點從而表現出一定選擇性吸附。其中，ACF-AgNO3對模擬NaCl和RO濃水電導率去除效果最好，其平均去除率分別為20

8、.69%、8.44%。其他指標去除中，ACF-CuCl2對氨氮平均去除率最大為61.49%，ACF-FeCl3則對UV254有最好的去除率69.51%。
　　（5）對NH3、HNO3及AgNO3等改性方法進行對比，研究各電極材料去除NaCl鹽水及RO濃水各指標的去除過程及效果，各材料各指標電容性吸附動力過程比較相似，ACF-HNO3對活性炭纖維的去除效果最好。且對多組分RO濃水來說，CODCr與UV254表現正相關性，另一組為氨氮

9、與濁度；兩組指標互相關聯，有存在一定的競爭關系。
　?。?）聯合HNO3及AgNO3對活性炭纖維進行聯合改性，記為ACF-composite，并在電容性吸附單元處理模擬NaCl濃水及RO濃水實驗，并考察各指標之間吸附過程。ACF-composite對NaCl鹽水電導率的平均去除率為23.94%，稍高于ACF-HNO321.10%。但是，在RO濃水總體性能上有很大的提升，對RO濃水電導率、氨氮及CODCr等有比單一改性有更好的去除效

10、率，平均去除率分別為23.94%、55.01%及55.37%。另外，氨氮、CODCr、UV254及濁度等指標間仍然存在一定的競爭性吸附，而CODCr和UV254在總體趨勢上來看仍表現出正相關性。
　　（7）對上述各種改性材料電容性吸附RO濃水鹽分及氨氮去除過程進行準一級、二級、Elovich方程及origin內置高斯函數進行曲線擬合，結果準高斯函數對各材料電容性吸附RO濃水鹽分及氨氮都有很大的擬合度，擬合R2均在0.90以上。幾種

11、動力學方程中，準一級動力學擬合效果比準二級、Elovich動力學方程有更大的擬合度，其擬合參數值和吸附過程表現比較一致。
　　（8）利用數學微分的方法，利用origin對各材料電容性吸附RO濃水第一周期吸附及再生過程進行求導，所得曲線記為RO濃水為電導率變化率（即可以表示吸附速率）。結果發(fā)現改性后電極材料對RO濃水除鹽速率及再生階段速率都有一定程度的提高，改善了吸附和再生效率。其中，ACF-composite、ACF-HNO3及A

12、CF-AgNO3等材料延長了去除效率較高所保持的時間，且再生階段仍表現出較大的再生效率，這也從反面證明了改性后電極材料吸附和再生性能得到了很好的提升，從而表現出更大的去除率。
　?。?）利用紅外分光光法對改性前后各材料進行表征，發(fā)現氨水改性電極材料出現氨基的吸收峰，硝酸改性后材料在含氧官能團所在區(qū)吸收峰更加明顯，硝酸銀負載后材料則主要表現為對波形的影響。對聯合改性材料來說，其含氧官能團吸收區(qū)域峰值更明顯，同時在接近500cm-1時