电吸附除盐技术的发展及应用
[摘要] 电吸附技术(EST)作为一项新型的水处理技术，具有很高的性价比，且处理效果好。介绍了EST的特点及适用范围，并通过对比指出EST作为一种有效的除盐技术在污水回用上具有很大的优势。其推广应用将成为水处理领域的新亮点。
[关键词] 污水回用；废水处理；电吸附技术
[中图分类号]X703．1 [文献标识码]A [文章编号]1005–829X(2010)02–0020–04
Development and application of electro-sorption desalting technique Han Han1，Chen Xinchun2，Shang Haili1
(1．Shanghai Hengze Environmental Science &Technology Co．，Ltd．，Shanghai 200942，China；
2．Nanjing Red Sun Biological Chemistry Co．，Ltd．，Nanjing 210047，China)
Abstract：With the increasing shortage of water resources，electro-sorption technique(EST)as a new type of water treatment
technology can meet the economic benefits of water treatment technology satisfactorily．And it also can achieve better water quality and reliability standards which have never been achieved before．The
characteristics and the scope of application of EST are described．In contrast with other techniques，it is pointed out that，as an effective desalting technology in wastewater reuse．EST has great superiority．EST as a new type water treatment technology will surely develop a new bright spot in the field of water treatment applications．
Key words：wastewater reuse；wastewater treatment；electro-sorption technique
近年来我国不断加大对环保、水资源的管理力度，取得了显著的成效：万元国内生产总值用水量由2005年的304 m3降至2008年的231．8 m3；万元工业增加值用水量也由2005年的169 m3降至2008年的130．3 m3[1]。但经济的发
展也造成工业部门和城市的缺水问题越加突出，工业用水总量由2000年占全国总用水量的20．7％增加到2007年占全国总用水量的24．1％[2]。
水资源在一定程度上已经成为制约一些企业发展的资源因素，迫使人们探索节约用水、减少污水外排的方法，污水回用技术在不断地创新、发展，成为工业企业节水减排的重点。
1 工业用水主要节水途径
提高工业用水重复利用率是节约工业新水用量、减少工业污水排放的有效措施；进一步提高外排污水处理后的水质加以回用，同样可以节约大量新水，大幅度减少污水外排。
1．1 工业冷却水的节水减排现状
工业循环冷却水用量平均占工业用水总量的80％[3]；冷却用水取水量占工业取水总量的30％~40％。提高工业循环冷却水的利用率，减少新水的补水量和排污量将是工业循环水处理的首选目标[4]。当前我国大多数企业循环水的浓缩倍数为2～3，且一些直流式用水系统依然存在；而国外先进水平常常在5～8[5~6]。但是循环水经高倍浓缩后，会产生一系列物理、化学变化，水中各种离子浓度增加，导致成垢因素和腐蚀因素加剧，对系统的稳定运行造成隐患。水的含盐量制约了浓缩倍数的提高。
1．2污水处理和回用
污水治理已得到各方的关注重视，近年来污水处理技术得到了极大的发展，但污水回用技术受污水含盐量的制约，遇到技术瓶颈。“十一五”规划中要求城市污水回用率达到50％，目前却仍＜20％，问题就在于许多污水的含盐量高，不能满足用户对水质的要求，无处适用。污水回用中的除盐技术是当代水处理领域面临的一个重要课题。
2水的除盐方法概述
水的除盐分为局部除盐和完全除盐(深度除盐)。只除去水中一部分盐类的为局部除盐；除盐后使水中盐质量浓度为1~5 mg/L的为完全除盐。当前污水回用常用的除盐技术主要有：离子交换、电渗析、超滤、纳滤、反渗透等[7-12]。电吸附技术(EST)将电化学理论与吸附分离技术相结合，可用于水的除盐、去硬、淡化及饮用水深度处理，以及重金属废水处理等。EST在处理效率、适应性、能耗、运行维护以及环境友好等方面有着独特的优势，是一种全新的水处理概念，有广泛的应用和发展前景。
3先进的电吸附除盐技术
EST的研究发展可以划分为三个阶段[13-14]：
(1)1960–1980年对技术原理的研究和阐述。从俄克拉荷马大学研究去除略带碱性的水中盐分开始，Y．Oren等研究了电吸附和电解吸附技术的基础理论、参数的影响和对多种候选电极材料的评价。
(2)1990–1999年突破了电极材料的选择及电极结构设计的核心技术。加利福尼亚州的劳伦斯利佛莫尔国家实验室、Mark Andelman等进行了除盐试验的中试工作，取得了较好的试验效果。
(3)21世纪以来，Sang Hoon等建立了电吸附模型，研究了电吸附模块的吸附潜能，并对模块的设计参数和运行中的操作条件进行了研究。Wegemoned等建立了一套实验室模型，用该模型处理TDS为1 000 mg／L的工业循环冷却水，出水TDS达到10 mg／L。
孙晓慰等[15]在EST的系统控制和集成等方面取得了突破性进展，研制成功以EST模块为核心组装而成的大型工业化电吸附装置，达到了国际领先水平，并在饮用水深度处理及工业用水处理方面实施了工程化、系统化应用。
3．1 EST的原理
EST是利用带电电极表面吸附水中离子及带电粒子，使水中溶解的盐类和其他带电物质在电极表面富集浓缩而实现水的净化和盐的去除[15]。其除盐原理如图1所示。
由图l可见，原水在阴、阳电极组成的空间流动时，受电场力的作用，水中带电粒子(离子、胶体微粒、有机物和细菌等)将分别向带相反电荷的电极迁移，被电极吸附并储存在双电层内，实现带电粒子 (杂质)与水的分离，除盐水从另一端流出。当电极失电或瞬间反接时，富集在电极上的带电粒子在水流或电场力的作用下，从电极脱落被冲走，电极获得再生。
3．2 EST的特点 EST具有以下特点：
(1)节能节水、环境友好、运行成本低[16]。首先，EST能耗低，与蒸馏法、反渗透法等相比，电吸附是有区别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。如采用适当的工艺组合，电吸附得水率可达90％以上，浓水少。
(2)设备可靠、运行稳定。由于电吸附装置采用通道式结构(宽度为毫米级)，不同于膜类元件，不易堵塞．对颗粒状污染物要求较低，因此对原水预处理的要求不高。采用碳类电极材料，使用寿命长。
(3)适应性强，操作及维护简便。电吸附技术利用电场力作用将阴、阳离子迁移到不同区域，不易互相结合产生结垢：惰性电极材料的抗污染性能较强，少量油类、铁、锰、余氯、有机物、pH等对系统没有什么影响，对各类水质具有良好的适应性。系统采用计算机控制，自动化程度高，操作简单容易掌握。
3．3 EST适用条件及范围
对现阶段经过试验和实际应用的数据统计分析，EST对所处理的进水要求电导率≤500μS／cm、COD≤100 mg／L、浊度≤5 NTU、SS≤5 mg／L、油≤3mg／L，处理后电导率可减少60％~95％、COD去除率20％~80％、浊度≤2 NTU、SS≤2 mg／L、油≤2 mg／L。处理效果与综合的水质影响因素、EST设备工艺的组合有关。
按照进水的水质、来源和工艺用途不同，EST可用于：
(1)循环冷却水系统的补水预处理。通过电吸附法降低补水含盐量，可以改善水质，以利进一步提高循环水的浓缩倍数，减少补水量和排污水量。 (2)循环冷却水系统的排污水再生回用。经过除盐处理的排污水回用于循环冷却水系统替代新鲜补水，可以减少新水消耗和污水排放量，进一步提高循环水的循环利用率。
(3)市政、工业污水处理。对于COD及含盐量较高的工业废水，传统的水处理技术因COD高而影响盐分的去除，电吸附能除去废水中的高盐分，使生化法可行，二级生化处理后的污水经电吸附除盐，可作为循环水系统的补水或生产工艺用水回用。
(4)与高效反渗透技术(HERO)配套。用于反渗透进水的预处理，降低其硬度、TOC等，可稳定反渗透系统运行、提高出水水质和产水率、降低运行维护成本、延长膜的使用寿命。
(5)工业用水处理。纺织印染、轻工造纸、电力化工、冶金等行业都需要大量的除盐水或纯水作为工艺用水。根据不同水质标准，电吸附水处理技术可以与传统的除盐技术相结合，以降低运行成本。
(6)饮用水净化。电吸附技术可以用于饮用水深度处理，去除过量的无机盐类，如钙、镁、氟、砷、钠、硝酸盐、硫酸盐、氯化物等，甚至使一些因无机盐类超标的水源得以有效利用。
(7)苦咸水淡化。电吸附技术具有耐钙、镁、硫酸盐等物质结垢的特点，在苦咸水特别是矿坑水等高含盐量和有机物水的淡化方面具有诱人的应用前景。
4 EST与常规除盐技术的比较
电吸附技术与膜技术除盐原理示意见图2。
电吸附除盐技术与反渗透法、电渗析法除盐在污水回用方面的比较见表1。EST在性价比、运行成本和操作、维护等多方面均有优势。
EST对进水水质要求较低，且具有产水量高、除盐程度适中、操作维护简便以及能耗低、稳定性好等特点，是一种经济、有效的除盐方法。由于不需要添加药剂，浓缩的排污水不存在二次污染问题。
膜法除盐技术的关键因素是进水水质，只有当进水水质稳定满足处理膜要求时，才能正常运行。膜处理时需要添加絮凝剂、杀菌剂、还原剂、阻垢剂、酸、碱等，增加运行费用，同时造成浓水的排放有一定的环境污染。
5 EST的实际应用
EST因具有较高的实用性和较宽的适用范围、较低的处理费用而为人们所关注。应用领域涵盖化工、钢铁冶金、有色金属、电力、石油化工、建材、轻工、纺织等行业的工业用水除盐、工业和市政废水除盐回用，以及市政和民用供水、农村直饮水行业。在工业循环水脱盐处理、废水回用领域，电吸附技术应用前景广泛[17-18]。