電吸附模擬解讀課件

1、電吸附技術(shù)北京化工大學機電工程學院電吸附（EST）技術(shù)簡介1.什么是電吸附？-電吸附技術(shù)（Electrosorb Technology），又稱電容性除鹽技術(shù)（CDI），是20世紀90年代末開始興起的一項新型水處理技術(shù)。其基本原理是基于電化學中的雙電層理論，利用帶電電極表面的電化學特性來實現(xiàn)水中帶電粒子的去除、有機物的分解等目的。電吸附（EST）技術(shù)簡介2.電吸附技術(shù)原理 -電吸附的原理目前廣泛應用的是雙電層模型。在施加電位時，在電極溶液界面形成雙電層。當電極表面不帶電荷時，主要被所吸附的水偶極分子覆蓋，別的表面離子和分子也可能通過接觸吸附。而當電極通電時，電極的電荷被帶相反電荷的離子或帶電粒子

2、在雙電層的電解液一側(cè)通過吸附補償，或通過在外亥姆霍茲面(outer Helmholtz plane)與擴散層(Gouy-Chapman 擴散層)富集相反電荷得到補償。這樣離子或帶電粒子就會在電極表面富集濃縮，使被處理水中的鹽類、膠體顆粒及其它帶電物質(zhì)的濃度大大降低，從而實現(xiàn)水的除鹽、去硬、淡化和凈化。 2.電吸附技術(shù)原理 雙電層模型理論 根據(jù)電化學理論，在電極與電解質(zhì)溶液的兩相間施加低于溶液的分解電壓時，電荷會在極短距離內(nèi)重新分布、排列。作為補償，帶電電極會吸引溶液中的帶相反電荷的離子，界面剩余電荷的變化將引起界面雙電層電位差的改變，從而形成緊密的雙電層，并在電極和電解液界面存儲電荷。 目前廣

3、泛應用的雙電層模型是Gouy -Chapman - Stern (GCS )模型。GCS 模型認為，雙電層包括緊密層與分散層兩個部分，雙電層總的電壓降等于緊密層的電壓降和分散層的電壓降之和。在GCS雙電層模型基礎之上，Ying等建立了考慮微孔區(qū)雙電層重疊效應的模型： 式中： d為分散層電壓；V為外電壓；ecm為電毛細極大值時電極電位；0為電荷面密度，C/m2；C1為內(nèi)層電容，F(xiàn)/m2。 Hou等為了研究在納米材料孔洞內(nèi)雙電層的形成，采用了修正的雙電層模型。 2.電吸附技術(shù)原理 式中：為雙電層電壓，V；d為分散層電壓，V；0為表面電壓，V；m為中板電壓，V。2.電吸附技術(shù)原理 電極吸附量計算 根

4、據(jù)雙電層理論，電極表面的離子吸附量與體相濃度及表面電位之間有如下關(guān)系：令 則 式中：q表面電荷數(shù)； 水在電極表面的介電常數(shù)；C水中離子濃度；z離子電價數(shù)；F法拉第常數(shù)；電極表面電位；R通用氣體常數(shù)；T熱力學溫度；n實驗所得常數(shù) 雙電層電荷量的影響因素2.電吸附技術(shù)原理 雙電層電荷量與溫度的關(guān)系 電極界面雙電層飽和電荷量對溫度是非常敏感的，隨溫度升高而迅速降低。 原因有兩方面：第一，由于溫度升高，電極過電位減小，電場力減弱，電極表面對離子的吸附能力降低； 第二，溫度上升后，溶液粘度下降，電極表面對離子的粘附力減小。 2.電吸附技術(shù)原理 雙電層電荷量與溶液物質(zhì)的量濃度的關(guān)系 電極界面雙電層電荷量隨

5、溶液物質(zhì)量濃度的增大而增大，但由于電荷量與離子的物質(zhì)量濃度的平方根成正比，電荷量在高濃度時增加很少，因此電吸附優(yōu)勢在原水含鹽量很高時逐漸消失，適合處理鹽濃度較低的溶液。2.電吸附技術(shù)原理 雙電層電荷量與電極電勢的關(guān)系 電極界面雙電層電荷量對電極電勢也是非常敏感的，隨電極電勢的增大而迅速增大。 但當電勢過高時，導致溶液電解反應的發(fā)生，增加了能耗。 2.電吸附技術(shù)原理除鹽原理2.電吸附技術(shù)原理降解COD原理 在雙電層的溶液一側(cè)，包含溶劑分子和特性吸附的一些其它物質(zhì)(離子或分子) ，溶劑化離子同荷電的電極的相互作用，僅僅涉及遠程的靜電力，因此它們的相互作用從本質(zhì)上說與離子的化學性質(zhì)無關(guān)，這些離子被稱

6、為非特性吸附離子。 在強電場作用下，在電極表面生成壽命短、氧化性極強的活性物質(zhì), 主要為OH羥基自由基，可以使一些難以降解的有機污染物質(zhì)更容易被分解,并且不會造成無二次污染。 電吸附（EST）技術(shù)研究1.電吸附電極材料的研究 電吸附技術(shù)除鹽，電極是電吸附技術(shù)的關(guān)鍵。按照材料的不同，國內(nèi)外主要研究包括以石墨、活性炭、活性炭纖維和炭氣凝膠等材料做電極的電吸附技術(shù)。電極示意圖1.電吸附電極材料的研究 1）石墨電極 石墨作為一種經(jīng)典的電極材料，盡管其本身并沒有顯著的吸附能力，但可用作電吸附劑。 石墨電極作為最早的電極材料曾一度引起許多研究者的興趣，它有著良好的機械性能及可加工性，在電吸附初級階段得到了

7、一定的發(fā)展，隨著新型炭材料的出現(xiàn)逐漸被取代。 1.電吸附電極材料的研究 2.活性炭電極 活性炭是水處理中應用最為廣泛的吸附劑，有活性炭粉末和活性炭顆粒兩種產(chǎn)品形態(tài)，具有生產(chǎn)簡單、成本低等優(yōu)點。 盡管研究表明活性炭具有良好的去除重金屬離子的效果，但是由于活性炭電極本身高電阻和傳質(zhì)阻力的缺點限制了它在實際中的應用。1.電吸附電極材料的研究 3.活性碳纖維電極（ACF) 活性碳纖維有高比表面積和較大的吸附容量，并且活性碳纖維制品種類眾多，有毛氈(無紡布) 、紙片、蜂窩狀物、織物、雜亂的短纖維和纖維束等形狀，因為可以直接剪成合適的尺寸做電極片，使得活性碳纖維作為電吸附電極更簡單方便，易于實現(xiàn)。1.電吸

8、附電極材料的研究 4.碳納米管電極 碳納米管具有特殊的中空結(jié)構(gòu)、大的比表面積、低電阻率和很高的穩(wěn)定性，廣泛應用于電池材料、儲氫材料、平面顯示器材料、化學傳感器材料和超大容量電容器材料等領(lǐng)域。1.電吸附電極材料的研究 5.炭氣凝膠電極 炭氣凝膠(Carbon aerogels)是一種新型的多孔炭材料，在過去10年中得到了廣泛的應用。炭氣凝膠由美國Lawrence Livemore國家實驗室研制開發(fā)，它是由間苯二酚甲醛聚合物凝膠裂解而制，可以根據(jù)需要制成不同的形狀，如塊狀、珠狀和薄膜紙狀。炭氣凝膠由許多納米開孔(330 nm)和中間孔(50nm)構(gòu)成，比表面積通常很大(4001100 /g) ，電

9、導率很高(10100 S/ cm)。炭氣凝膠電容性電吸附去除水溶液中重金屬和無機鹽的研究表明，炭氣凝膠用作電吸附劑在水體凈化等諸多領(lǐng)域擁有更為廣闊的空間。1.電吸附電極材料的研究 炭氣凝膠1.電吸附電極材料的研究 6.復合電極 Yang等制備了比表面積為9001700 m2/g、密度為0.05 g/cm3的碳氣凝膠。再將硅膠按不同比例加入到碳氣凝膠中，通過黏貼滾壓法即可制成電極。 Zhang等和D ai等用活性炭和碳納米管制備了復合電極片。研究結(jié)果表明，含質(zhì)量分數(shù)為10%碳納米管的復合電極的除鹽性能最好，并且很容易高效再生。 Gao等用碳納米管和納米纖維制備了復合薄膜電極(CNTs - CNF

10、s) 。實驗中用直流式磁控電鍍法在0.3 mm厚的石墨基底上沉積一薄層Ni催化劑，再用低壓低溫熱化學氣相沉積法制備CNTs CNFs薄膜電極。該電極用0.5 mol/L的HCl浸泡去除催化劑Ni之后，用于研究不同陽離子的優(yōu)先吸附特性。 電吸附（EST）技術(shù)研究2.電吸附設備工作過程的研究 1）電吸附的工藝研究 電極的飽和 水中離子及溶解的礦物質(zhì)的多少稱為水的礦化度。礦化度大，水中的可溶礦物含量也就越多，對電吸附的電極要求也就越高，其主要的是電極的表面積。在一特定表面積的一對電極形成的電場中，處理一定量的水量后，陰、陽電極就會聚集一定量的離子（粒子），這些同類離子層間就會產(chǎn)生巨大的排斥力，使后來

11、的離子（粒子）不能被吸附而隨水流走，失去淡化作用，此時稱之為電極的飽和。對于某一成品的設備，電極工作吸附量的值量可用下式計算： 式中，v 為電極間的平均線流速；t為工作周期的工作歷時間；G為進水的礦化度；g 為出水的礦化度 2.電吸附設備工作過程的研究 電極的恢復 當電極達到飽和時，就必須進行電極的恢復.恢復的方法是將電極的極性改變，也就是將電極反相。利用同極性相斥的原理，將吸附在電極土的帶電離子(粒子)排斥釋放到流動的水流中隨水流出。這樣電極就得到了有效的恢復。 工作電壓與電流密度 在電吸附的工作過程中，在電流的作用下，陽極一水流一陰極就形成了一個完整的閉合電路。在這個電路中的運行電流與電極

12、的面積之比稱其為電極的運行電流密度，而滿足工作電流密度下的電壓，稱其為工作電壓。 電流密度的大小，是與要處理的原水水質(zhì)成正比的，水的礦化度越大在得到同樣的脫鹽率的情況下，所使用的電流密度也就越大。 對于特定的設備，為了得到一定的脫鹽率，一般情況下是根據(jù)原水的礦化度先設定電流密度。電壓的高低，一般按滿足電流的需要來設定，但所使用的電壓一般在一對電極間不超過1.2V。 2.電吸附設備工作過程的研究 2）電吸附的工藝流程2.電吸附設備工作過程的研究 2.電吸附設備工作過程的研究 2）電吸附過程影響因素的研究電壓對吸附工作過程的影響 研究表明，隨著電壓增大，電極的吸附量也顯增多。不同電壓下，電吸附設備

13、的能耗與除鹽率的對比對理想電壓的選擇也有著重要的影響。一般來說在較高的除鹽率情況下，選擇能耗相對較低的電壓。流量對吸附工作過程的影響 研究表明，工作出水電導率隨著流量的增大而升高。不同流量下的能耗與除鹽率的比較需要綜合考慮能耗和除鹽率，從而判斷電吸附設備的最佳工作流量。重碳酸鹽堿度對吸附的影響 離子脫附率，是再生過程中電極脫附離子量與工作過程電極吸附離子量的比值，可反映電極的再生效果。 2.電吸附設備工作過程的研究 重碳酸鹽酸化吹脫對吸附的影響 在利用電吸附設備處理高堿度的含鹽水時，首先進行酸化吹脫盡量去除水中的HCO3- ，可以減少其對電吸附設備的負面影響。工作及再出生水的堿度 連續(xù)8個周期

14、的出水電導率 電吸附（EST）技術(shù)研究2.電吸附的模塊設計 EST模塊可由左右端極、陰陽電極接頭、高效功能性材料陰極板和陽極板、隔離密封墊、壓緊螺栓螺母、支承架等組成，陰、陽電極板和隔離密封墊之間形成水流通道，同時設置了進出水管路。 EST模塊示意圖 電吸附 研究方案電吸附技術(shù)處理工業(yè)廢水鹽堿分離實驗研究。 1.1 高性能電極材料的研制； 1.2 電吸附技術(shù)處理工業(yè)廢水的試驗研究 （1）電極材料對工業(yè)廢水鹽堿分離的影響； （2）電壓、溶液流量、含碳酸鹽濃度等工藝條件參 數(shù)對工業(yè)廢水鹽堿分離的影響。電吸附 研究方案電吸附 研究方案設備規(guī)格與型號儲存容器1 m1 m1 m 不銹鋼23個氣路管線尺寸

15、3 mm0.5 mm不銹鋼管真空泵流量：5 m3/h，揚程：10 m23個流量計最高流速：5 m/s電能表220 V，50 Hz，標定電流：10 A設備參數(shù)電吸附 研究方案項目技術(shù)指標進水平均電導率，s/cm1500出水平均電導率，s/cm750平均水流量，m3/h11.2耗電量，kW/h0.6工藝指標電吸附 研究方案實驗條件的確定（1）高性能電極材料：碳纖維材料；電極尺寸：1 800 mm 300 mm 215 mm （2）氣路管線材料：不銹鋼管 （3）操作溫度及儀器進樣口溫度：常溫 （4）實驗用水要求：樣品水；進樣量：1.2 m3/h （5）操作壓力： 真空泵抽壓力：0.1 Pa 過程壓力

16、： 0.1 Pa 600 kPa電吸附 研究方案實驗內(nèi)容（1）電極材料的影響實驗 作為性能優(yōu)良的雙電層電極必須具備4 個條件：高的比表面積；好的導電性；好的極化能力；與反應液不發(fā)生任何化學反應。由于碳材料如活性炭、炭氣凝膠及活性炭纖維等不僅導電性能良好，而且具有很大的比表面積，置于靜電場中時，能在其與電解質(zhì)溶液界面處產(chǎn)生很強的雙電層。在實驗過程中，電導率下降得愈快、程度越大，則在其它條件相同的條件下電極性能越好。本實驗中選取不銹鋼，活性炭，炭氣凝膠以及碳纖維納米復合材料等作為電極，分別做出其電導率-時間吸附曲線，從而對電極材質(zhì)對電吸附的影響進行分析。實驗內(nèi)容（2）工作電壓的影響實驗改變每對電極

17、兩端電壓，分析不同電壓下的能耗和除鹽率的變化，以期得到關(guān)系曲線。（3）流量的影響實驗保持每對電極兩端電壓不變，改變電吸附設備的流量，分析不同流量下的能耗和除鹽率的變化，以期得到關(guān)系曲線。（4）重碳酸鹽含量的影響實驗保持其他實驗條件不變，測量不同堿度下Cl-和HCO3-的脫附率。電吸附 研究方案假設：水流通過一根1m長的水平直通管，其中入口速度是0.3m/s，工業(yè)廢水的密度約為1070kg/m3，運動粘度為 = 2 x 10-5 kg/(ms)，管內(nèi)徑為0.03m。計算出雷諾數(shù)為450，可知該流體運動為層流流動。下面在GAMBIT中建立該湍流模型并對其進行網(wǎng)格化分。模擬工業(yè)廢水在直行管道內(nèi)的流動

18、經(jīng)過FLUENT模擬運算，可以得到工業(yè)廢水在直行管道中的流動速度分布，和速度矢量圖，由于液體的粘流性能，出現(xiàn)了 掛壁現(xiàn)象，也就是中間速度高于管壁的速度，可以通過改變液體的粘流系數(shù)和密度等物理性能計算出所需要的實際層流速度，如下所示：工業(yè)廢水在直行管道中的流動速度分布工業(yè)廢水在直行管道中的流動速度矢量圖假設2：水流通過直行管道的接頭處，其中入口速度是0.3m/s，模擬其在彎管內(nèi)的流動速度分布。先用GAMBIT模擬彎管構(gòu)型并對其進行網(wǎng)格化分。模擬工業(yè)廢水在彎管內(nèi)的流動工業(yè)廢水在彎管接頭中的流動速度分布圖經(jīng)過FLUENT模擬運算，可以得到工業(yè)廢水在彎管街頭處的流動速度分布，和速度矢量圖，如下所示：工

19、業(yè)廢水在彎管接頭中的流動速度矢量圖假設3：含有酸堿鹽雜質(zhì)的工業(yè)廢水通過電極板時，自由移動的離子在外加電場的作用下發(fā)偏移，電而極表面就可以吸附溶液中的帶電粒子。下面模擬一個帶正電的離子在電極板中的運動。先用GAMBIT模擬出電極板內(nèi)空間以及帶電粒子，并對其進行網(wǎng)格化分（為了明顯看出試驗效果，將離子體積擴大化處理）模擬工業(yè)廢水在電極板間的流動利用FLUENT的動網(wǎng)格模型，模擬出在水平流速為0.3m/s，電壓為1.5V時，利用Stokes定律，如下，模擬單個帶電粒子在電極場中的運動情況。初始狀態(tài)下工業(yè)廢水中帶電粒子的位置在Stocks定律中，已知式中：u為離子向電極的運動速度；為水的粘度；r為離子的

20、有效半徑。則離子向電極的運動方程為 其中： E為電場強度； m為離子質(zhì)量。對其積分，并由初始條件u(0) = 0 ，可得 假設電吸附過程中，待吸附離子到達電極界面時，溶液流經(jīng)電極的特征長度為l，則時間為t= l / v。離子向電極的運動方程為：在t 時間內(nèi)離子受電極作用移動的距離W滿足其中：離子質(zhì)量的數(shù)量級為10-26 kg；離子半徑的數(shù)量級為10-10 m；溶液粘度的數(shù)量級為10-3這樣，會在極短的時間內(nèi)趨近于0。則離子向電極界面運動速度為，在電吸附過程中，施加的電極電壓在溶液分解電壓以下，且電極間距很小，一般不超過5 mm 。在模擬過程中，設定運動粘度為 = 2 x 10-5 kg/(ms

21、)，F(xiàn)e3+所帶電量為4.810-19C，其離子半徑為55pm，假設電場均勻，則電場強度E=300v/m，計算得出離子向電極界面運動速度為6.948 x 10-3 m/s。水平水流速度已知為0.3m/s，利用FLUENT動態(tài)模擬出0.1s和0.3s時的離子運動情況。，0.1s時帶電粒子在電極場中的位置0.3s時帶電粒子在電極場中的位置，模擬工業(yè)廢水在電極板間的流動實驗模擬：1）在保證一定的水平水流速度0.3m/s以及其他物理參數(shù)不變的前提下，改變外加電壓的大小。電壓(V)0.511.52垂直電場速度（m/s）2.316 x 10-3 4.632 x 10-3 6.948 x 10-3 9.26

22、4x 10-3 電壓(V)2.533.54垂直電場速度（m/s）11.58x 10-3 13.896x 10-3 16.212 x 10-3 18.528x 10-3 ，將各個參數(shù)帶入FLUENT模擬器，迭代到終點，分別模擬出各個電壓下帶電粒子在電極場中運動，如下圖所示帶電粒子在1.5v電極場中的位置帶電粒子在2v電極場中的位置帶電粒子在1 v電極場中的位置帶電粒子在0.5v電極場中的位置帶電粒子在3.5v電極場中的位置帶電粒子在4v電極場中的位置帶電粒子在2.5v電極場中的位置帶電粒子在3v電極場中的位置，將單個離子群聚化，模擬帶同一電荷的粒子流在電極板間的流動。用GAMBIT做出電極板區(qū)域內(nèi)運動的網(wǎng)格模型：在與單個離子運動相同的情況下，用FLUENT對帶點粒子流進行模擬，查看電極板間帶電粒子濃度的分布情況：同一電子流在4v電極場中的流動從上面的模擬中可以看出，當外加電壓越大，被電極板所吸附的帶電粒子越多，工業(yè)廢水的堿分離也就越徹底。同一電子流在2v電極場中的位置，模擬工業(yè)廢水在電極板間的流動實驗模擬：2）在保證一定的外加電壓1.5v以及其他物理參