电吸附除盐技术

电吸附除盐技术电吸附除盐技术（Electrosorb Technology），简称（EST），又称电容性除盐技术， 是20世纪90年代末开始兴起的一项新型水处理技术。该技术利用通电电极表面带电的特 性对水中离子进行静电吸附，从而实现水质的净化目的。电吸附技术原理时间：2011-08-02 来源： 作者：水处理中的盐类大多是以离子（带正电或负电）的状态存在。电吸附除盐技术的基本思想 就是通过施加外加电压形成静电场，强制离子向带有相反电荷的电极处移动，使离子在双 电层内富集，大大降低溶液本体浓度，从而实现对水溶液的除盐。电吸附原理见图，原水从一端进入由两电极板相隔而成的空间，从另一端流出。原水在 阴、阳极之间流动时受到电场的作用，水中离子分别向带相反电荷的电极迁移，被该电极 吸附并储存在双电层内。随着电极吸附离子的增多，离子在电极表面富集浓缩，最终实现 与水的分离，获得净化/淡化的产品水。工作过程示意图在电吸附过程中，电量的储存/释放是通过离子的吸/脱附而不是化学反应来实现的，故而 能快速充放电，而且由于在充放电时仅产生离子的吸/脱附，电极结构不会发生变化，所 以其充放电次数在原理上没有限制。当含有一定量盐类的原水经过由高功能电极材料组成的电吸附模块时，离子在直流电场的 作用下被储存在电极表面的双电层中，直至电极达到饱和。此时，将直流电源去掉，并将 正负电极短接，由于直流电场的消失，储存在双电层中的离子又重新回到通道中，随水流 排出，电极也由此得到再生。再生过程示意图由于电吸附过程主要利用电场力的作用将阴、阳离子分别吸附到不同的电极表面形成双电 层，这会使同一极面上的难溶盐离子浓度积相对低得多，可有效防止难溶盐结垢现象的发 生。其次，电吸附极板间水径流与极板呈切线方向，不利于水中析出难溶盐结晶在极板上 的生长。电吸附可以在浓水难溶盐过饱和状态下运行。另外，在电吸附模块中，由于电吸 附过程中阴、阳离子吸附不平衡导致产生氢离子含量较多的出水，通过倒极的方式，略偏 酸性的出水同样会使有微量结垢现象的垢体溶解掉。电吸附模块处理效果的好坏主要取决于电极的吸附性能。电吸附技术特性时间：2011-08-02 来源： 作者：科技创新点一、原理创新：电吸附除盐技术利用带电电极表面吸附水中离子，使水中溶解的盐类在电 极表面富集浓缩而实现水的净化/淡化。独特的除盐原理是将水中溶质从溶液中提取出 来，而不是将水中溶剂从溶液中提取出来。二、工艺创新：电吸附模块的电极采用惰性材料加工而成，具有化学性能稳定、使用寿命 长（10 年以上）的优点。以电吸附模块为核心元件的电吸附除盐系统具有抗污染性强、预 处理简单、不需要添加专用药剂、通量稳定、不用频繁清洗、运行成本低、节能环保的特 性。三、应用创新：该项目突破了污（废）水再生回用技术的瓶颈。为污（废）水再生回用领域的 发展提供了一项抗污染性强、经济环保、应用范围广的除盐技术。电吸附装置的技术特点一、节能节水，环境友好，运行成本低首先，电吸附技术能耗低。电吸附技术进行水的除盐处理时，其主要的能量消耗在使离子 发生迁移，而在电极上并没有明显的化学反应发生。与蒸馏法、反渗透法等除盐技术相 比，电吸附技术是有区别性地将水中离子提取分离出来，而不是把水分子从待处理的原水 中分离出来，无需高温或高压，因此所耗的能量相对较低。另外，由于电极加电后即为充 电电容器，所施加的电能被储存在双电层电容上，如有必要，就可以将所存储的能量在电 极再生时回收一部分，即将吸附饱和的模块上储存的电能再加到另一再生好的模块上，也 即所谓的“秋千式”供电。这样可以大大地节约能源。其次，电吸附技术得水率高，用于再生的冲洗水可重复使用，一般情况下得水率可以达到 75%以上；如采用适当的工艺组合，甚至可达 90%以上。同时电吸附还是一项环境友好型技术。电极再生时只需将储存的电能释放掉，不需任何化 学药剂进行再生。与离子交换技术相比，减少了在浓酸、浓碱的运输、贮存和操作上的麻 烦，而且不向外界排放酸碱中和液；与反渗透相比，无需加入还原剂、分散剂、阻垢剂等 化学药剂，所排放的浓水系来自于原水，系统本身不产生新的排放物，从而避免了二次污 染问题。另外，抗污染性能较强，并表现出一定的去除 COD 的能力。二、设备可靠，运行稳定由于电吸附技术不采用膜类元件，只采用特殊的惰性材料为电极，因此对原水预处理的要 求不高，即使在预处理上出一些问题也不易对系统造成不可修复的损坏。电吸附除盐装置 采用通道式结构（通道宽度为毫米级），因此不易堵塞，对颗粒状污染物要求较低；电吸 附技术是利用电场作用将阴、阳离子分别去除，因此，阴、阳离子所处场所不同，不会互 相结合产生垢体；少量油类、铁、锰、余氯、有机物、pH值等对系统几乎没有什么影响， 对各类水质的原水具有良好的适应性；在停机期间也无需对核心部件作特别保养；系统采 用计算机控制，自动化程度高；由于采用碳类电极材料，从理论上讲电吸附模块可以长期 服役。三、适应性强，操作及维护简便系统对原水预处理的指标要求不高，铁、锰、氯等离子、pH值和有机物等对系统几乎没有 什么影响，所以除盐技术适应性强。在停机期间也无需对核心部件作特别养，维护方便。 即使在预处理上出一些问题也可以进行处理恢复，不易对系统造成不可修复的损坏。系统 采用计算机控制，自动化程度高，操作程序简单容易掌握。由于其广泛的适应性和良好的实用性，电吸附技术可以应用在工业废水回用处理、工业除 盐水处理、苦咸水淡化等领域。苦咸水淡化乃至海水淡化将是 EST 技术的下一个更加诱人 的应用领域。电吸附技术国内研究概况时间：2011-08-02 来源： 作者：电吸附技术在国内的研究起步比较晚，这方面的文献并不多见，国内陈福明、尹广军等 1999 报道了用多孔大面积电极去除水中离子的方法，并对电吸附进行了一系列的理论和实 验研究。杨慧云对 NaCl 溶液进行电容性除盐，结果分析表明，当溶液种类和浓度一定 时，电极的吸附容量随外加电压的增加而增大，当溶液种类和外加电压确定后，吸附容量 随着浓度的增加而增大，并达到一个极限值吸附。莫剑雄也尝试利用双电层电容的原理进 行电吸附装置的研究。上述研究过程仍处于实验室研究阶段。电吸附技术国外研究概况时间：2011-08-02 来源： 作者：电吸附的研究始于 20世纪60年代，俄克拉荷马大学的研究人员利用电吸附原理，从略 带碱性的水中去除了盐分。在Caudle等的报告中描述了使用多孔电极的电容去离子装 置。Johnson和Newman等的研究则包括验证过程的理论基础、参数研究和对多种候选电 极材料的评价。国外的研究工作也主要以炭电极的发展作为主线，但主要停留在小流量循 环处理的实验阶段。国外在电吸附应用方面取得研究成果最多的是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室，他们从从上个世纪 90 年代，采用内部孔隙极多的炭气凝胶作为电极材料开发出来一套电容性除 盐实验装置。虽然具有一定的除盐效果，但材料制作工艺复杂，制作成本很高。妨碍了这 一技术的推广。污水回用应用现状及主要问题时间：2011-08-02 来源： 作者：污（废）水回用应用现状随着经济的发展和人口的膨胀，工业及生活所需的淡水资源日益匮乏，水资源净化已经成 为世界范围内普遍关注的问题。解决水资源匮乏的方法有很多，其中污（废）水回用及开发 中水资源，即提高水的重复利用率是当前许多国家解决水资源短缺的有效途径。水处理技 术的不断成熟，特别是近年来高级氧化、膜分离等高级处理技术的发展给城市、工业污水 的达标排放处理提供了新的技术手段。然而，虽然水中的许多污染物可以通过传统的混 凝、沉淀、过滤、吸附等方法去除，但对于水质要求较高的回用场合，如对于溶解在水中 的盐的去除则需要采用适当的除盐手段来实现。常见的水的除盐方法有蒸馏、反渗透、电 渗析、离子交换等。在工业界已有用超滤/微滤与反渗透（双膜法）进行污（废）水除盐 处理的实践，通过采用超滤、微滤来降低污（废）水对反渗透膜的污染，取得了一定的经 验。然而，由于双膜法用于污（废）水回用时工艺复杂，运行成本高、得水率较低，膜组 件的使用寿命与常规水处理时相比要短得多，同时需要采用大量还原剂和阻垢剂，使浓水 的排放难以达到环保要求。因此，在污（废）水回用领域，存在着技术经济上不尽合理的 问题。从 20 世纪 60 年代电吸附除盐技术面世到今天，电吸附在许多领域得到了初步的应用，如 将电吸附作为除盐手段应用于管道直饮水、矿泉水、苦咸水淡化等不同的场所。近年来， 随着对电吸附除盐技术的性质与功能的研究的进一步深入，电吸附除盐技术在污（废）水 回用处理领域的应用正逐渐展开。主要问题污（废）水除盐技术市场发展目前存在的主要问题是：污（废）水的成分比一般自来水和 天然地表（下）水要复杂得多，传统污水除盐技术在该领域应用时，易受水中有机物、油 类等物质的影响而造成污堵，造成设备在产水量、得水率及使用寿命不能满足设计要求。 同时对预处理的要求很高，又需要投放大量药剂，不仅增加工程的总体投资，也使运行成 本居高不下。因此，寻找一种对原水耐受性好，既能以较低的运行成本对污（废）水进行 除盐又对环境友好的除盐技术成为业界的一个重要课题。电吸附技术优势时间：2011-08-02 来源： 作者：一、采用高效功能材料EST 模块采用了高效功能材料作为电极，该电极材料不但除盐效果好，而且具有化学性质 高度稳定、耐酸、耐碱、耐腐蚀、抗氧化等特点，这使得电吸附除盐装置具有对来水水质 约束小、抗污染、设备可靠、运行稳定等优点。这种高效功能材料属于惰性的多孔无机物质，比表面大，且在电吸附运行中还有一定量的 初生活性氧化基团产生，对原水中的有机物具有一定的去除效果，扩大原水水质约束范 围。经过适当的预处理，原水就可以进入 EST 模块，即使在预处理上出一些问题，如遇到 包含少量油污在内的有机物污染，也不会使电吸附材料受到大的危害，仍能保证相对较高 的除盐率。因此，在这种情况下，可以在半年甚至一年的长期运行后，利用酸洗或碱洗的 方式对电极材料进行清洗恢复。停机期间，无需对核心部件作特别保养，维护方便。二、微通道设计电吸附除盐装置采用微通道式设计（通道宽度为毫米级），水流是在宏观通道中运动的， 因此少量悬浮物和有机物不会污堵设备。对前处理要求相对较低，而且可以大大提高得水 率，一般情况下可达 75%以上，如有特殊需要，部分浓水经回收再处理工艺，可使系统得 水率达到 85%以上。三、设备集成度高，实行智能化控制电吸附除盐技术的开发依据于水力学、电化学、机械学、电子控制学等理论。系统采用模 块化设计，各个环节在中央控制计算机的集中控制下形成整个系统。所有的执行机构、检 测仪表等均由计算机按设定程序实现操作，正常运行时不需人工干预。四、绿色技术节能、环保 由于电吸附除盐技术利用了双电层电容静电吸附的原理，工艺运行过程中不需添加缓蚀 剂、阻垢剂、还原剂之类的专用药剂，系统所排放的浓水均来自于原水，所以系统不会产 生新污染物。这既节约了运行成本，又避免了二次污染。另外，与其他技术相比，电吸附技术属于常压操作，提升能耗少，其主要的能量消耗在使 离子发生迁移，并通过控制电压使电极表面不发生极化现象，同时工作时所储存的电能可 以在再生时回收一部分，因此，总体能耗较低。五、适应性好，应用领域广泛 电吸附除盐技术对进水水质要求不高，并且可以根据电压调节来控制除盐率在 60%90%的 范围内变化。因此，拓展了电吸附技术的适用领域。电吸附可以被广泛应用于饮用水、废 水、污水处理等方面，包括冶金、化工、电子、电力、制药、纺织、造纸等工业领域。对 于那些污染较重，不需要完全除盐的场合来说，电吸附不失为一种良好的选择。电吸附除盐回用工程的经济评价时间：2011-08-02 来源： 作者：城市污水回用作为工业净水工程的经济评价：目前城市污水处理（二级处理）投资大约在900-1400元/m3d,在此基础上三级再生处 理约400-600元/m3d。加上管网配套总计600-1000元/m3d。三项相加1900-3000元 /m3d,到“十一五”末期形成40亿立方米再生水源的投资大约在300亿元左右。为扩 大城市污水处理在工业企业中的应用,通过进一步除盐提高水质,以城市污水处理（三级 再生处理）为基础上，采用电吸附除盐技术，只增加2000-2500元/m3d。到“ 一五” 末期形成40亿立方米替代水源的投资大约在 200亿元左右。而形成同样规模的长距离引 水，以大连引英入连为例，则需600亿元左右，海水淡化则需1000亿元左右，可见采用 电吸附除盐技术进行污（废）水回用在经济上具有明显优势。工业循环冷却水的排污水回用作为工业净水工程的经济评价：采用电吸附除盐技术，具有很大经济优势，由于循环冷却水的排污水水体污染较轻，经过 简单处理就可以进入电吸附除盐系统，电吸附除盐系统处理出水就地使用，不需要长距离 输送，减少管网配套投资，预处理费用相当于城市污水三级再生处理约 400-600元/m3d,加上电吸附2000-2500元/m3d,共计2400-3100元/m3d。经过二级污水处理后达到排放标准的城市废水或工业污水，如果作为工业循环冷却水的补 水,需要进行脱盐处理,脱盐工艺采用电吸附技术,因原水水质较好,可以简化电吸附的 预处理,整体投资可以进一步降低。电吸附除盐回用技术的经济优势时间：2011-08-02 来源： 作者：电吸附污（废）水回用系统建设一次性投资费用2000元-2500元/吨产水日（原水为经二 级污水处理达到排放标准的废水）,吨水运行费用 1-1.5 元/吨,单位制水成本约 1.5-2 元/吨（包括设备折旧费、材料消耗费、大修基金等）,目前工业用水综合水价 4.55.5 元/吨，不久将来可达 6元/吨，通过采用电吸附技术不仅可减少新鲜水的取用量和污水排 放量，而且可创造价值 2-4元/吨水。分析表明，尽管电吸附工艺需要一定的初期投资费 用，但可以在保证良好除盐效果的前提下，为客户带来长期的经济效益，如果按可创造价 值为 4 元/吨水，可在 2-3 年内收回投资。电吸附技术的应用前景时间：2011-08-02 来源： 作者：由于电吸附除盐技术具有对进水水质要求不高、运行可靠、能耗低、操作方便、产水率较 高、综合运行成本较低等特点，适合进一步加大市政、工业污（废）水除盐领域的推广应 用，特别是在化工、石化、冶金、电力、造纸等高耗水行业乃至核工业废水的治理等方面 有着很大的应用潜力。工业用水中的用水大项为循环冷却水，在石油化工、电力、钢铁、冶金等行业中占企业用 水总量的 80%-90%。长期循环使用的冷却水由于含盐量增加，会产生水垢附着、设备腐蚀 以及微生物滋生与粘泥的问题，因此，循环冷却水浓缩到一定倍数必须排出一定的浓水， 并补充新鲜水。对部分浓水进行除盐回用，或将污水经深度处理（除盐）后用于循环冷却 水的补给水，可以使新鲜水用量和排污水量不断减少，对于提高水的重复利用率、节约水 资源、实现“趋零”排放具有重要意义。电吸附技术的发展趋势时间：2011-08-02 来源： 作者：一、与其他除盐技术进行组合，优势互补由于本技术对原水前处理要求较低，在市场应用方面，除了作为独立的操作单元进行除盐 处理，也可以与现有其他除盐技术进行合作，满足更高的水质要求。1. 在污（废）水除盐处理方面，.电吸附预处理可以和超滤相结合，对复杂的原水进行深 度处理，可进一步提高去除效果，降低模块清洗工作量。2. 锅炉的补给水根据不同压力、温度等级水质标准不同，有一定的除盐要求；有的工艺 用水必须是含金属离子或含硅量、含氯量、含碳酸根离子量极低的水，电吸附水处理技术 可以与传统的除盐处理技术相结合以运行成本很低的方式来实现这些目的。以高污染地表水做水源制备深度除盐水，采用电吸附做预脱盐，后接混床脱盐系统，出水 可达到锅炉补给水的要求。可减少 9095混床再生用酸碱消耗量。3. 考虑到一级反渗透浓水的复用价值，可以对某些浓度较低的反渗透浓水进行电吸附除盐 回收处理，以减少浓水水量，提高整个除盐系统的得水率，实现工业废水趋零排放。二、开拓电吸附水除盐技术的深度和广度沿海大陆岛屿、中国内地尤其是西北、华北的淡水甚为缺乏，不得不采用海水淡化和地下 苦咸井水淡化来解决生活用水，电吸附技术具有耐钙、镁、硫酸盐等物质的特点，在苦咸 水淡化方面有着独特的优势，特别是对矿坑水等含盐量和有机物含量都较高的情况下，采 用电吸附技术进行苦咸水淡化将使其优势得以充分展示。随着电吸附水处理技术淡化苦咸 水的成本逐步降低，该技术将具有更强的市场竞争力。在市场运作的同时，使电吸附除盐技术不断地创新、完善，在较低成本的条件下，满足更高的水质处理要求，从而实现低成本高效率淡化海水的梦想。