改性電極材料對(duì)電容性吸附除鹽及RO濃水的處理實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、經(jīng)濟(jì)增長同時(shí)，要求協(xié)調(diào)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(yīng)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(huì)產(chǎn)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(fù)擔(dān)。電容性吸附具有高除鹽率、清潔環(huán)保及經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，學(xué)者對(duì)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(xué)者研究則較為少見。
　　本課題欲以電容性吸附為基礎(chǔ)，以活性炭纖維為基材，通過不

2、同的改性方法對(duì)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(guān)除鹽工藝等研究參考。實(shí)驗(yàn)還對(duì)活性炭纖維進(jìn)行紅外表征，并觀察改性后官能團(tuán)的變化情況，結(jié)合對(duì)污染物的去除過程及效果，以圖更科學(xué)地解釋改性對(duì)電容性吸附的影響。同時(shí)利用數(shù)學(xué)方法對(duì)RO濃水除鹽及氨氮去除過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)擬合，對(duì)RO濃水電容性吸附電導(dǎo)率使用微分求導(dǎo)的方法，進(jìn)一步更清楚地探討改性后材料變化對(duì)反應(yīng)過程傳質(zhì)吸附效果的影響。
　　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了集成的電容性吸附裝

3、置，主要通過堿、酸、金屬負(fù)載及聯(lián)合改性活性炭纖維，對(duì)NaCl鹽水及RO濃水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并考察了RO濃水相關(guān)動(dòng)力學(xué)過程。有關(guān)課題主要工作及實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體如下：
　　（1）設(shè)計(jì)電容性吸附裝置，利用布水通道改善通水條件，對(duì)隔板進(jìn)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(dòng)，從而盡可能的提高其傳質(zhì)速率。對(duì)電容性吸附裝置流量、進(jìn)水濃度、以及電壓進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，考察不同因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響；并在實(shí)驗(yàn)用水濃度固定下，設(shè)計(jì)三因素（流量、電

4、壓及極板間距）三水平的正交實(shí)驗(yàn)，確定理想的操作條件。利用SPSS軟件進(jìn)行極差和方差法分析，發(fā)現(xiàn)各因素對(duì)電導(dǎo)率平均去除率的影響大小次序?yàn)闃O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(duì)再生方式比較選擇短接和反接結(jié)合的方式。
　　（2）利用NaOH、KOH及氨水對(duì)活性炭纖維進(jìn)行改性，記為ACF-NaOH、ACF-KOH及ACF-NH3，分別對(duì)NaCl鹽水及RO濃水處理。結(jié)果ACF-NH3對(duì)NaCl

5、鹽水和RO濃水電導(dǎo)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(duì)各指標(biāo)的去除率比較接近，堿金屬氫氧化物對(duì)活性炭纖維表面孔徑及官能團(tuán)的改性表現(xiàn)出相似性。通過微分法對(duì)RO濃水電導(dǎo)率求導(dǎo)做變化率隨時(shí)間變化曲線，ACF-NH3表現(xiàn)出最好的吸附和再生效率。
　?。?）使用H2SO4、HNO3及 H3PO4對(duì)改性活性炭纖維，分別記為ACF-H2

6、SO4、ACF-HNO3及ACF-H3PO4，并進(jìn)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(tuán)及孔徑分布等，紅外光譜分析結(jié)果也證明了這點(diǎn)。其中，ACF-HNO3綜合吸附性能最佳，NaCl鹽水和RO濃水電導(dǎo)率、CODCr及濁度分別達(dá)到21.10%、9.83%、53.21%、88.59%。同時(shí)，ACF-H2SO4和ACF-H3PO4分別對(duì)氨氮與UV254的去除效果較好，兩

7、者對(duì)氨氮與UV254平均去除率分別為57.80%、78.16%。
　?。?）對(duì)活性炭纖維進(jìn)行金屬負(fù)載改性，試劑分別為FeCl3、AgNO3及CuCl2，改性后標(biāo)記為ACF-FeCl3、ACF-AgNO3和ACF-CuCl2，對(duì)NaCl鹽水及RO濃水進(jìn)行電容性吸附實(shí)驗(yàn)。金屬負(fù)載后電極材料官能團(tuán)改變，為吸附提供了活性位點(diǎn)從而表現(xiàn)出一定選擇性吸附。其中，ACF-AgNO3對(duì)模擬NaCl和RO濃水電導(dǎo)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(biāo)去除中，ACF-CuCl2對(duì)氨氮平均去除率最大為61.49%，ACF-FeCl3則對(duì)UV254有最好的去除率69.51%。
　?。?）對(duì)NH3、HNO3及AgNO3等改性方法進(jìn)行對(duì)比，研究各電極材料去除NaCl鹽水及RO濃水各指標(biāo)的去除過程及效果，各材料各指標(biāo)電容性吸附動(dòng)力過程比較相似，ACF-HNO3對(duì)活性炭纖維的去除效果最好。且對(duì)多組分RO濃水來說，CODCr與UV254表現(xiàn)正相關(guān)性，另一組為氨氮

9、與濁度；兩組指標(biāo)互相關(guān)聯(lián)，有存在一定的競爭關(guān)系。
　?。?）聯(lián)合HNO3及AgNO3對(duì)活性炭纖維進(jìn)行聯(lián)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(shí)驗(yàn)，并考察各指標(biāo)之間吸附過程。ACF-composite對(duì)NaCl鹽水電導(dǎo)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(duì)RO濃水電導(dǎo)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(biāo)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(xiàn)出正相關(guān)性。
　?。?）對(duì)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(jìn)行準(zhǔn)一級(jí)、二級(jí)、Elovich方程及origin內(nèi)置高斯函數(shù)進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果準(zhǔn)高斯函數(shù)對(duì)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(dòng)力學(xué)方程中，準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合效果比準(zhǔn)二級(jí)、Elovich動(dòng)力學(xué)方程有更大的擬合度，其擬合參數(shù)值和吸附過程表現(xiàn)比較一致。
　?。?）利用數(shù)學(xué)微分的方法，利用origin對(duì)各材料電容性吸附RO濃水第一周期吸附及再生過程進(jìn)行求導(dǎo)，所得曲線記為RO濃水為電導(dǎo)率變化率（即可以表示吸附速率）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性后電極材料對(duì)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(shí)間，且再生階段仍表現(xiàn)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(xiàn)出更大的去除率。
　?。?）利用紅外分光光法對(duì)改性前后各材料進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)氨水改性電極材料出現(xiàn)氨基的吸收峰，硝酸改性后材料在含氧官能團(tuán)所在區(qū)吸收峰更加明顯，硝酸銀負(fù)載后材料則主要表現(xiàn)為對(duì)波形的影響。對(duì)聯(lián)合改性材料來說，其含氧官能團(tuán)吸收區(qū)域峰值更明顯，同時(shí)在接近500cm-1時(shí)