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2.2.1.3 GCS双电层模型(Gouy-Chapman-Stern模型)
1924年,Stern提出了一种改进的GCS模型。该模型不再将扩散粒子看作为点电荷,而将液相电荷以OHP/IHP位置为分界线分为两部分。Stern面内的电荷分布遵循Helmholtz-Perrin模型的规律和特征方程,电势从0φ直线下降到Hφ;Stern面外的电荷分布遵循Gouy-Chapman模型的规律和特征方程,电势从Hφ指数形式下降到0。模型如图5所示。
2.2.2 现代双电层模型
2.2.2.1 Grahame模型
1947年,Grahame基于上述经典模型给出了更加完善的双电层模型,将内层分为两层:一层为介电常数仅为6的内Helmholtz层;另一层为含有水化离子的外Helmholtz层。模型如图6所示。
2.2.2.2 微孔区双电层模型
2002年Ying等研究了碳气凝胶对水溶液中离子的电吸附行为,由此在Grahame和Parsons等的理论及其自主的实验研究的基础上开发出了一种基于微孔区的双电层模型。
2.2.2.3 纳米材料孔内双电层模型
2006年Hou研究了纳米结构碳基材料孔内部形成的双电层的基本机理。研究发现可以通过增大孔径、溶液浓度和外加电压来降低双层重叠效应对电吸附电容的影响。
2.3 电吸附结构
电吸附装置一般包括一对多孔电极、隔板(开放的通道或者是多孔介质材料)以及吸附材料。多孔电极对带有施加的电压差一般为1.0-1.4V(又称电池电压或者充电电压)。电极所携带的电荷不仅吸附携带反电荷的离子,同时还需排斥同电荷离子,这会造成吸附效率较低。为避免此问题发生,通常会在传统装置的基础上加入阴、阳离子交换膜;这样的装置又称为膜电容去离子技术(MembraneCapacitiveDeionization,MCDI)。电吸附装置结构如图7所示。
2.4 电吸附工作流程
浓水由底部的进水口进入,顶部的出水口流出,可使溶液在系统内充分吸附。浓水进入系统后,在电场力驱动下,阴阳离子定向移动;与此同时,阴、阳离子交换膜筛分离子,最终吸附在材料表面,达到去除盐离子的目的,这一过程称为电吸附过程;之后通过改变外部电源或极性反转实现放电,此时盐离子从吸附材料中分离,汇入溶液当中。生成的浓水被排至浓水池集中处理。这一过程称为脱附再生过程[38]。电吸附工作过程如图8所示。
从上述的电吸附研究进展可以看出,虽然电吸附技术在诸多水处理领域得到了进展,但是突破性的电吸附理论研究目前依然缺乏,对电吸附机理与模型的深入研究是实现技术突破的关键,也为未来电化学领域研究起到指导性意义。其次电吸附技术因为稳定性较差,运行周期短,电流效率低,电极电阻较大等问题,未能在水处理方向得到大规模的应用。可以从两个方面改进:(1)CDI反应器优化设计:研制结构特殊的CDI反应器,通过增大反应器的电极表面,强化传质,提高反应器的时空产率等来优化CDI反应器;(2)选择合适的电吸附材料:寻找导电性能强,比表面积大,稳定性高,成本较低,具有选择性能的吸附材料。
2.5 电吸附技术与其他技术比较
除电吸附技术以外,电除尘和电渗析技术都是电化学技术的重要组成部分。为了更加深入的了解电吸附,本文将电吸附技术与电除尘、电渗析技术进行了类比分析,并总结电吸附技术的优势。电除尘工作过程如图9所示。电除尘技术与电吸附技术分别用于气相与液相带电颗粒(离子)的分离,若电除尘与布袋除盐器相结合,就相当于气相的电吸附装置。但电除尘相比于电吸附,只对离子进行迁移而没有收集。
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