电吸附技术及其在水处理中的应用进展

唐振 刘晓茹 曹宇浩 陈计洋 管锡珺

摘要：指出了由于环境的污染和对水资源的需求，电吸附技术作为一种新型的水处理方法日益受到人们的关注。对电吸附技术的发展、原理以及各种电极材料进行了研究，阐述了电吸附技术在生活污水、工业废水的处理以及在海水淡化中的应用，并对以后的研究方向提出了建议。

关键词：电吸附技术;电极材料;生活污水;工业废水;海水淡化

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）14-0108-03

1引言

随着人口的增长和对水资源的大量需求，环境破坏与水资源短缺问题越来越严重，并日益威胁着人类的健康与生活，对此，必须积极采取必要的措施来解决环境污染问题，保护水资源。对污染水进行治理就是应对水资源枯竭有效地措施之一。常见的水处理方法有物理处理法、化学处理法和生物处理法。这几种方法虽然对污染物有着良好的去除效果，但同时也存在着很多的缺点，比如能源损耗大、成本高、易产生二次污染等。电吸附技术作为一种洁净的水处理技术，可以避免上述缺点，是一种经济且有效的水处理方法，在去除金属离子、胶体微粒、溶解盐类及其它有害离子时效果明显，并已经在污水处理中得到了广泛应用。

2电吸附技术的研究

2.1电吸附技术的发展

电吸附技术在20世纪60年代就已经出现，开始以除盐作为研究目标。在1960～1980年期间，俄克拉马荷大学对电吸附技术去除水中带碱性的盐分进行了大量实验研究;Y.Oren等对电吸附技术的基础理论、参数影响和多种电极材料做了深入的探究。至20世纪90年代，对电吸附技术的研究取得了巨大进步，突破了电极材料的选择及电极结构设计的核心技术。21世纪以来，电吸附技术发展迅速，SangHoon研究了电吸附模型和电吸附模块的吸附潜能，中国的孙晓慰等在电吸附技术的系统控制和集成等相关方向取得了重大突破。

2.2电吸附原理

根据电吸附技术理论，电极与溶液的接触点存在着双电层，具有充电、放电的特点。在电极两端施加电压时，电荷会在瞬间重新分布、排列，作为补偿，带电粒子和水中其他带电物质被电极上异性电荷吸引而转移到电极上，引起双电子层电位差的变化，并且形成紧密的双电子层，这样离子或带电粒子就会在电极表面富集浓缩并滞留，达到了降低溶解盐的浓度、胶体粒子等带电物质的目的。电吸附技术就是利用此原理降低水中游离离子和带电粒子，实现了污水脱盐、去硬和净化的目的。电吸附技术原理如图1所示，其中电极材料的吸附容量会随施加电压的增加而增大。

2.3电极材料的选择

电极材料的选择在电吸附技术实际应用过程中是最为关键的一步，电吸附技术处理污水能力的大小取决于电吸附材料吸附能力的大小。在对电吸附技术材料选择时，电极材料不仅要求导电性好，比表面积大，还应保证的是电极材料化学稳定性好，易于成型，在施加电压时不会发生法拉第反应。符合这些特性的电极材料有很多，比如石墨电极，活性炭电极等。

2.3.1石墨電极

石墨电极是应用最早的电极材料。它导电性能好、化学性质稳定、可塑性强易加工，在电吸附技术应用初期得到了一定的发展，但石墨电极材料比表面积小，自身吸附能力比较差。因此，随着活性炭电极的出现，石墨电极逐渐被替代。

2.3.2活性炭电极

活性炭电极内部孔隙较多，具有比表面积大、化学性质稳定、方便易得等优点，是一种廉价的吸附材料，近些年来电极材料制备广泛采用活性炭。

根据活性炭吸附原理，活性炭吸附是将液体中游离物质凝聚于自身表面，这种吸附是一种自然的吸引力，而且这种吸引力不受活性炭温度的影响。活性炭基于这种特性，其作为电极材料在施加电压时对污水中的微小离子去除效果更好。活性炭在吸附时，控制活性炭电极的孔径大小以实现对不同污染物质特定的吸附非常重要，吸附质分子的大小与活性炭孔隙直径越接近，越容易被吸附去除。因此，在选择活性炭电极材料时，应该根据废水的水质并通过试验确定。比如对于染料废水的处理，染料废水有机物含量较多，应选择孑L隙发达的炭种;对废水进行除盐处理时，溶解盐颗粒比较小，应选孔隙较小的炭种。另外，活性炭吸附量还与吸附质浓度、液体温度、pH值等有关，吸附量随溶液温度的升高而减少，随吸附物质浓度的升高而增大，在酸性条件下吸附效果更好。

普通活性炭电极是将活性炭粉末或者活性炭颗粒粘结在一起，制作成的活性炭电极材料难免要掺杂一些粘结剂，阻碍了电流及溶质的传递，影响了活性炭导电性能，在制备电极过程中需要加入石墨等导电性能比较好的物质以增强活性炭电极材料的导电性。

2.3.3活性炭纤维电极

活性炭纤维是粉状活性炭和粒状活性碳之后新兴起的一种高效吸附材料。与一般活性炭电极材料相比，活性炭纤维比表面积更大，孑L隙更加发达。作为电极材料，它的吸附效率更高，吸附能力更强，对污水的处理能力更高，并且对低浓度的物质与活性炭电极材料相比有着更强的吸附能力，而且，活性炭纤维导电性要比普通活性炭要强。所以，活性炭纤维比普通活性炭更适合做电极材料。

以活性碳纤维作为吸附材料时，耗电量极低。张晓曦做过活性炭纤维电极去除氟离子的探究。研究结果显示在电压0.6V时去除效果好于电压为1.5V时的去除效果，且在电压为0.6V的情况下，氟离子的去除率为38%;电压为1.5V的情况下，每升水的耗电量为48.4J，可见，活性炭纤维电吸附法能耗是很低的。

3电吸附技术的应用

电吸附除盐技术在20世纪60年代就已经出现，随着对电吸附材料和技术的不断探究，电吸附技术的应用日渐成熟，它不仅可以去除废水中重金属离子、溶解盐类等无机离子，还可以去除废水中的放射性元素甚至污水中的有机物。最近的研究表明吸附技术也可应用于海水淡化。

3.1电吸附技术对生活污水的处理

电吸附技术发展至今，在处理生活污水时效果较差，因为生活污水普遍含有浓度较高的有机物和悬浮物。根据电吸附技术工作原理，电吸附技术主要通过带电电极吸附水中的离子及带电微粒，实现水中带电物质在电极表面的富集。有机物和悬浮物携带的电荷比较少，而且有机物和悬浮物颗粒比较大，被电极材料吸附比较困难，因此电吸附技术在处理生活污水时效果一直不是很理想。柯起龙用电吸附系统携带滤膜对污水中悬浮物进行去除效果实验研究，做实验的水样采自于新疆巴里坤县污水处理厂，结果表明对污水中悬浮物的处理主要靠系统携带的滤器进行，而电吸附模块对悬浮物的去除率仅15%。绍兴水处理发展有限公司陈伟做过电吸附技术处理印染废水的实验研究，结果表明电吸附技术除盐率比较高，达到70%以上;而COD去除率只有40%，去除效果较差。对于生活污水，可以结合电吸附技术和生物处理技术共同进行处理，这样对于生活污水中的有机物去除会比较彻底，而且同时使用电吸附技术还可以去除污水中无机离子、盐类等微小带电离子，对生活污水中污染物质的去除更徹底。

3.2电吸附技术对工业废水的处理

电吸附技术对工业废水的处理在最近几年得到了快速发展，工业废水成分复杂，种类比较多，例如电解盐工业废水。电厂工业废水、重金属冶炼工业废水等。电吸附技术对这些工业废水处理效果比较好，因为这些废水主要含太量重金属离子、溶解盐类及其它有毒有害离子，对人类和环境的危害很大，并且这些离子携带大量电荷，容易被电吸附装置的电极两端吸附而聚集去除。

针对电吸附技术对工业废水有害离子的去除，众多科研人员做过大量实验研究。刘江等研究了电吸附技术对电厂废水的处理。电吸附技术对电厂废水主要进行除盐处理，水样采用的是国华准格尔发电有限责任公司循环排污水。结果显示污水的硬度去除率为78%，碱度去除率为75%，氯离子去除率为79%，平均每吨水耗能2.7kW·h。研究表明电吸附技术能够有效地去除电厂循环水中的离子，各项指标能够满足回用要求，没有产生二次污染，能耗较低，废水处理效果良好。陈榕等应用电吸附技术去除水中的重金属离子以及其它有害金属，以炭纳米纤维为电极，对铅的去除率达到90%以上，以高比表面积的炭电极处理工业废水，对低浓度的Mo（Ⅵ）、Cr（Ⅵ）、V（V）均有较高的去除率。

电吸附技术也可以去除水中的砷元素。众所周知，砷是对人体有害的元素，长期饮用含砷量超标的水会引起慢性砷中毒，严重损害人体健康。孙晓慰等取用大青山含砷量超标的自流泉水，并用亚砷酸钠和砷酸钠配置了人工高砷水，同时进行电吸附技术去除砷的研究。实验结果显示无论是人工配置的高砷水还是天然含砷水，砷的去除效果都很好，最后的出水砷离子浓度都在0.01mg/L以下。

可以看出，电吸附技术对工业废水中重金属离子、溶解盐类等微粒的去除净化有良好的效果。电吸附技术在工业废水的处理应用方面有着良好的发展前景。

3.3电吸附技术应用于海水淡化

如今，淡水资源短缺现象日益严重，海水淡化技术也因此得到了快速发展。现在常用的海水淡化方法有电渗析法、露点蒸发法、蒸馏法、反渗透法等20多种方法，其中应用最多的方法是反渗透膜法及蒸馏法。运用反渗透膜法进行海水淡化处理有很多的优点，比如操作简便、耗能低、工艺简单等。但反渗透膜法也有明显的缺点：①反渗透膜经长时间使用后会发生阻塞现象，导致脱盐率下降;②反渗透膜容易发生结垢现象，影响海水淡化工作进程，加入除垢剂和酸后，还会产生二次污染;③易发生膜污染。蒸馏法也有能耗高、操作复杂等缺点。使用电吸附技术对海水进行淡化处理具有操作简单、能耗低、无二次污染等优点，是一种比较清洁的海水淡化技术。但电吸附方法无法大规模对海水进行淡化处理，而且除盐率较低。罗刚等曾用石墨电极进行电吸附技术去除不同浓度氯离子的实验，结果显示随着溶解盐浓度的增加，氯离子去除率呈下降趋势，当溶解盐浓度为500mg/L时，氯离子去除率只有70%，而海水中氯离子浓度为15000mg/L以上，氯离子去除率会更小。因此，电吸附技术对海水淡化的处理还处于试验研究阶段，到实践应用还有很长的一段路要走。

4结语

电吸附技术处理污水具有能耗低、处理效率高、环境友好等特点，对工业废水处理效果较好，但对于生活污水污染物的去除效果有待完善。目前，应对电吸附技术的吸附过程和吸附原理进行更充分和深入的研究，注重研究更大吸附容量、更高去除效率、更经济的电极材料。完善电吸附装置，增强电吸附装置除盐效果，使电吸附技术更好地应用于海水淡化。