活性炭基电容除盐装置去除水中氟离子的性能与机理研究

发布时间：2020-03-26 04:56

【摘要】：地方性氟中毒在我国乃至世界范围广泛分布,含氟水的治理一直是全世界环保领域的重要课题,环境友好、能耗低、再生容易的新型除氟技术的开发和应用一直是该领域的研究热点。近些年,随着超级电容器电极材料的开发,电容工艺设计的改进,使得电容除盐(电容去离子)(Capacitive Deionization,CDI)技术成为一种新兴的海水和苦咸水淡化技术。本文从电极成型工艺参数和运行操作参数两方面六个因素系统考察了涂覆法制备活性炭电极过程和在间歇式(Batch model)模式下采用CDI技术去除水中氟离子的影响,对电容除氟过程进行了动力学拟合,分析了其中的法拉第反应,较全面的掌握了电容除氟性能和机理,并建立了一种简化动力学模型,能够较好的拟合电容除氟过程,为CDI技术应用于除氟领域奠定了基础。论文主要有以下研究成果:(1)PVDF作为粘合剂制备活性炭电极时降低孔隙度和电化学性能,采用PTFE作为粘合剂制备电极时,其表面孔隙结构相对发达,对氟离子的吸附效果较好。粘合剂用量与活性炭电极表面孔隙度成反比,但比例过低会导致电极脱粉,减弱电极稳定性,本文研究最佳的粉末活性炭、PTFE粘合剂和石墨配比为8:1:1;电极厚度与总吸附量成正相关,但与单位质量电极吸附量成反相关,本实验选择的最佳电极厚度为0.4 mm。(2)流量过大或过小都会导致脱盐效率下降,流量过大会导致水力停留时间过短,流量过小又会导致同离子驱逐效应大于吸附力,都降低了吸附量,本实验选择的最佳流量为25 mL/min;在一定范围内电容除氟吸附量与电压成正相关关系,但电压过大会导致水的电解;溶液初始浓度升高增加离子迁移数,但浓度过高会因为离子效应阻碍电吸附过程。(3)电容除氟过程遵循准一级动力学过程。在微电压(小于0.6 V)下拟合度较差是因为共离子排斥效应阻碍离子吸附,在高电压(大于1.2 V)下拟合度下降是因为有非电容吸附现象发生;中孔型活性炭电极电吸附除氟性能更优,在外加电压1.5V、流速25mL/min、原水浓度2.5mM时,去除率为31.49%,比吸附量为3.84mg/g;电容除氟过程属于物理吸附,主要依赖于双电层理论,但在阴极发生溶解氧的还原和氢气的析出,阳极发生碳电极的氧化和水的电解,导致能量效率的下降,可通过阴极与膜复合、开发金属氧化物阳极等方式进行改进,从而提高电容除氟效能。(4)采用改进的Dornnan模型建立的简化动力学模型能够很好的拟合活性炭基电容除氟过程。
【图文】：

吸脱附,脱附,原理图

电势被施加在电极上产生正负电荷。溶液中的阴离子被正极产生的静电力吸引，逡逑与此同时阳离子被负极产生的静电力吸引。溶液中不同离子就这样被分离。一个逡逑净化循环（离子去除，图卜ｌａ）和再生（离子放电，图１－ｌｂ）交替产生脱盐后逡逑的水和浓盐水。这里需要注意的是，电位差不可以超过使水分子中氢原子和氧原逡逑子裂解的临界值（即能斯特电压或水的标准电极电位，ＥｅｅｌｌＯ＝－１．２３邋Ｖ）邋［３１］。双逡逑电层的电位差不得超过１．２３邋Ｖ。整个电池可能会超过１．２３邋Ｖ这个阈值为了补偿逡逑整个电路系统的阻力，因此这种情况并不会发生水解｜３２］。能斯特电位差的阈值逡逑是特指水分子承受的局部电位差。逡逑电容除盐（ＣＤＩ）装置单元由两块平行电极板构成，两块电极被施加直流电逡逑源电压后会产生电场，当电极之间流过带有带电粒子的溶液时，，带电粒子会被吸逡逑附到相反电性电极板上。阳离子被吸附到负极表面，阴离子被吸附到正电极板表逡逑面。当电极上吸附饱和后，通过电极反接或者电极短接即可发生解吸作用，把吸逡逑附在电极板表面的离子释放到溶液中

技术路线图

Ｆｅｅｄ邋ｉｎ邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ邋Ｆｅｅｄ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ邋Ｍｅｍｂｒａｎｅ邋ｆｌｏｗ邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逡逑图１－２邋ＣＤＩ构架发展历史图１１６１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋ＣＤＩ邋ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ邋ｈｉｓｔｏｒｙ，，６］逡逑１３逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU991.266

【参考文献】