隨著經濟的快速發(fā)展，水資源短缺已成為全球面臨的一個嚴峻挑戰(zhàn)〔1〕，因此，如何對廢水如中水、生化尾水、循環(huán)冷卻水等進行除鹽處理實現回用，受到人們的廣泛關注。在傳統的廢水除鹽方法中，蒸餾法能耗高〔2〕，離子交換法會產生二次污染〔3〕，電滲析、反滲透處理技術則投資大且維護繁瑣〔4, 5, 6〕，不能滿足廢水回用處理的需求。在新型除鹽技術中，電吸附除鹽被認為是一種具有廣闊應用前景的新技術〔7〕。電吸附除鹽技術是在電極表面施加一定的電壓，帶電離子在電場力的作用下，向反向電極移動并吸附在電極上，從而達到除鹽的目的〔8, 9, 10〕。該處理技術具有設備投資少、無二次污染、節(jié)能等優(yōu)點〔11〕。電吸附除鹽技術由于電極與廢水直接接觸，在電極間存在電流，且受水電解電壓的限制，兩極的電壓通常在1～2 V之間較適宜，較低的電壓會制約除鹽效率，導致淡水出水率低，能耗高;同時，電極的使用壽命短，需使用特殊材質。
本研究針對電吸附除鹽技術存在的問題，采用涂覆技術在活性炭纖維電極表面涂覆一層高分子有機絕緣層，絕緣處理后的電極不直接與含鹽廢水接觸，電極間不存在電流，不僅可降低對電極材質的要求，提高其使用壽命，同時可克服水電解電壓的限制，使電吸附除鹽在更高的電壓下操作，從而提高除鹽效果，降低能耗。
1 實驗部分
1.1 試劑和儀器
試劑：氯化鈉，AR，汕頭市西隴化工股份有限公司;活性炭纖維，上海索斐亞環(huán)?？萍加邢薰?。
儀器：FE30型電導率儀，梅特勒-托利多儀器有限公司;BT00-100M恒流泵，保定蘭格恒流泵有限公司;BSA124S電子天平，賽多利斯科學儀器有限公司;DF1761SL3A直流電源供應器，中策電子有限公司;XT5118-OV50電熱鼓風干燥箱，杭州雪中炭恒溫科技有限公司;DK-98-11電子萬用爐，天津市泰斯特儀器有限公司。
1.2 活性炭纖維電極的預處理和絕緣涂覆
將剪成大小適宜方塊的活性炭纖維放入去離子水中煮沸2 h，取出，放入烘箱中于120 ℃下干燥24 h，以去除其水溶性物質和揮發(fā)性物質。
將2片烘干的活性炭纖維塊電極放入涂覆槽中，加入自制的高分子聚合物有機溶劑，將2片電極在60 V電壓下涂覆45 s，取出，放入馬弗爐內升溫至150 ℃，并保持30 min，自然冷卻。
1.3 實驗方法
將有效面積為3.0 cm×7.2 cm的電極放入自制的除鹽裝置中，2片電極間距為11 mm，涂覆有機膜的活性炭纖維電極接正極，預處理后的活性炭纖維電極接負極。配制的氯化鈉模擬廢水通過恒流泵流入除鹽裝置，關閉恒流泵，調節(jié)電壓，處理一定時間后出水。
圖 1為25 ℃下NaCl溶液電導率隨溶液濃度的變化趨勢。
圖 1 25 ℃下NaCl溶液電導率隨溶液濃度的變化趨勢??
由圖 1可知，NaCl溶液電導率與溶液中離子的濃度呈較好的線性關系，即溶液電導率的變化可間接反映溶液中NaCl濃度的變化。因此，可通過溶液電導率的變化來評價除鹽的效果。由圖 1擬合得出25 ℃下溶液電導率與溶液濃度的關系式：
2 結果與討論
2.1 外加電壓對除鹽效果的影響
外加電場的大小是決定電吸附除鹽效果的關鍵因素之一。根據雙電層理論，在不發(fā)生電化學反應的情況下，雙電層具有電容的特性，對其進行充放電，水中的粒子將會富集在電極-溶液界面〔12〕。在傳統的電容吸附除鹽中，電壓并不是越高越好，過高的電壓會導致水解的發(fā)生。理想情況下，水的標準電極電位為1.229 V，有文獻報道〔13〕，當電壓超過1.6 V時，溶液就會發(fā)生水解現象，這嚴重制約了電除鹽效率和應用。本研究通過對電極表面的改性，實現了在更高電極電壓下進行電吸附除鹽，有利于除鹽效率的提高。
實驗配制300 mg/L的NaCl溶液，在25 ℃下分別施加不同的外加電壓30 min，考察外加電壓對除鹽效果的影響，結果如圖 2所示。
?圖 2 外加電壓對除鹽效果的影響
由圖 2可知，隨著外加電壓的增大，電導率呈現先下降后緩慢上升的變化趨勢。當電壓從10 V提高到17.5 V時，電導率快速下降;當電壓從17.5 V提高到22.5 V時，電導率變化不大，在電壓為22.5 V時，電導率去除率最大，為83.5%，此時吸附除鹽量為0.273 mg/cm2;當電壓從22.5 V增加到30 V時，電導率略有上升。實驗結果表明，在電壓為10～ 17.5 V的范圍內，電壓的作用明顯，提高電壓加快了溶液中離子向電極表面的遷移和富集，使得溶液主體中的離子濃度迅速下降，溶液電導率下降明顯;在電壓為17.5～22.5 V的范圍內，電極表面離子吸附基本達到飽和，吸附和脫附過程處于動態(tài)平衡，因此電導率變化不明顯;繼續(xù)提高電壓，溶液中出現少許微小氣泡，說明此時溶液出現了一定程度的電解，導致溶液電導率略有上升?？梢?，在不發(fā)生水解和吸附未達飽和的前提下，提高電壓有助于大幅提高溶液中NaCl的去除效率，因此確定最佳的電壓為20 V。
2.2 吸附時間對除鹽效果的影響
在電容吸附除鹽中，吸附時間的長短不僅會影響除鹽能耗，也會影響電極壽命。配制300 mg/L的NaCl溶液，在溫度為25 ℃，外加電壓為20 V的條件下，考察了吸附時間對除鹽效果的影響，結果如圖 3所示。
?圖 3 吸附時間對除鹽效果的影響
由圖 3可知，在吸附時間為0～10 min時，隨著吸附時間的增加，電導率略有下降，表明在此時間段，電極表面吸附的離子較少，溶液主體中離子濃度下降較小;在吸附時間為10～25 min時，隨著吸附時間的增加，電導率急劇下降，說明溶液中有大量離子被吸附到電極的表面，使得溶液主體中離子濃度出現了明顯的下降;在吸附時間為25～45 min時，隨著吸附時間的增加，溶液電導率變化不大，表明此時電極吸附已達到平衡;繼續(xù)延長吸附時間，電導率卻緩慢上升，說明吸附時間過長，電極表面吸附的離子可能有少量脫附，重新返回到溶液主體中，從而使溶液主體的電導率緩慢上升。確定25～40 min為最佳吸附時間段。
2.3 進水NaCl濃度對除鹽效果的影響
在電吸附過程中，施加電壓產生的電荷分布在電極表面，在正負電極間產生電場，在電場力的作用下，溶液中的離子向相反電荷電極的表面遷移，電場力越強，離子遷移得越快，電極表面電荷密度越大，電極表面富集的相反電荷的離子越多;當富集的離子電荷數與電極表面分布的相反電荷數接近時，電極吸附趨近飽和，此時電極吸附處于動態(tài)平衡，因此在相同的吸附時間下，電極吸附的離子電荷數與溶液中離子濃度有關。在溫度為25 ℃，外加電壓為10、15、20 V，吸附時間為40 min的條件下，考察了進水NaCl濃度對除鹽效果的影響，結果如圖 4所示。
?圖 4 進水NaCl濃度對除鹽效果的影響
由圖 4可以看出，當進水NaCl濃度較低時，不同電壓下的溶液電導率相差不大且很小，電導率去除率均較高，其中對100 mg/L到300 mg/L的NaCl溶液，當電壓為15 V和20 V時，溶液電導率去除率相差不大，均可達80%以上，最高可達91%;而當電壓為10 V時，電導率去除率明顯偏低。表明在低NaCl濃度下，隨著電壓的增加，溶液主體中的離子向電極表面的遷移增多，但當電極施加電壓達到一定程度后，溶液電導率已很小，即溶液主體離子濃度很小，此時溶液主體中絕大部分離子已遷移到電極的表面，再增加電壓，由于溶液主體中離子遷移數較少，因而溶液電導率和電導率去除率變化不明顯。隨著進水NaCl濃度的增加，不同外加電壓下溶液的電導率明顯增加，電導率去除率快速下降;但在高電壓下，溶液電導率升高相對緩慢，且電導率去除率相對較高，在進水NaCl質量濃度為1 000 mg/L時，電導率去除率仍接近50%。
溶液離子濃度的增加雖然使得溶液電導率去除率顯著降低，但電極單位面積對離子的絕對吸附量卻明顯增加，如圖 5所示。
?圖 5 不同電壓下電極單位面積除鹽量與溶液濃度的關系
圖 5表明，電壓越高，電極單位面積吸附離子的絕對量越大，表明高電壓有助于提高電極吸附絕對量，更適用于高濃度含鹽廢水的處理。
2.4 吸附等溫線擬合
為探究溶液中離子在電極表面的吸附行為，采用Langmuir和Freundlich吸附等溫線模型，對在不同電壓下對不同濃度的NaCl溶液處理40 min后所得的吸附量曲線進行擬合，結果如表 1所示。
由表 1可知，當電壓為10 V時，Langmuir模型的擬合效果較好，溶液中離子在電極上傾向于單分子層吸附;當電壓為20 V時，Freundlich模型的擬合效果更好，溶液中離子在電極上呈現出多層吸附的趨勢，說明電壓越高，離子越能在電極表面呈現多層吸附，而吸附層數越多，吸附量越大，除鹽效果越好。擬合結果表明，在高電壓除鹽中，多層吸附的Freundlich模型更加適用;隨著電壓的增大，電極吸附容量增加的速度加快，吸附容量也隨之增大?？傊?，提高電壓有利于溶液中鹽的去除。具體參見污水技術資料更多相關技術文檔。
3 結論
(1)采用有機膜涂覆的活性炭纖維作電極，可明顯提高電吸附的操作電壓，在電壓提高到30 V時，仍具有較好的除鹽效果。在不發(fā)生水解情況下，最佳電壓為20 V。
(2)當進水NaCl質量濃度為300 mg/L，外加電壓為20 V時，25～40 min為最佳吸附時間段。
(3)對于低濃度NaCl溶液(<300 mg/L)，當外加電壓為15、20 V時，溶液電導率去除率可達80%以上，最大可達91%。隨著溶液濃度的增加，電導率去除率下降明顯，但電極的絕對吸附量卻顯著增大。
(4)在低電壓 (<10 V) 時，吸附更傾向于單分子層吸附;高電壓時，吸附更加符合多分子層吸附;并且隨著電壓的增大，電極吸附容量增加的速度和吸附容量增大。
