华北电力大学马双忱教授：电吸附技术在电力行业废水处理中的应用-第2页-北极星水处理网

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2)分散层模型(Gouy-Chapman模型)

20世纪初提出了分散层模型(Gouy-Chapman 模型)[27-28]，该模型认为距固相界面的距离越小，反电荷越多；随着距离增加，反电荷越少。分散层中电位φx与距离固相电极表面的距离呈指数关系，如图4所示。

图4 Gouy-Chapman扩散双电层模型示意

Fig.4 Schematic diagram of Gouy-Chapman

diffusion double-layer model

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[29-30]。该模型不再将扩散粒子看作点电荷，而将液相电荷以OHP/IHP位置为分界线分为2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φ0直线下降到φH；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φH指数形式下降到0，如图5所示。

图5 Stern模型示意

Fig.5 Schematic diagram of Stern model

2.2.2现代双电层模型

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[31-32]，将内层分为2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，如图6所示。

图6 Grahame模型示意

Fig.6 Schematic diagram of Grahame model

2)微孔区双电层模型

2002年Ying等[33]研究了碳气凝胶对水溶液中离子的电吸附行为，在Grahame和Parsons等理论及其自主试验研究基础上开发出了基于微孔区的双电层模型。

3)纳米材料孔内双电层模型

2006年Hou[34]研究了纳米结构碳基材料孔内部形成的双电层基本机理，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

电吸附装置包括一对多孔电极、隔板(开放的通道或多孔介质材料)以及吸附材料。多孔电极对带有施加的电压差为1.0～1.4 V(又称电池电压或充电电压)[35]。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，使吸附效率较低。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，该装置又称为膜电容去离子技术(Membrane capacitive deionization，MCDI)[36]。电吸附装置结构如图7所示。

图7 MCDI装置结构

Fig.7 MCDI device structure

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，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；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，该过程称为电吸附过程[37]。此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，汇入溶液中，生成的浓水被排至浓水池集中处理，此过程称为脱附再生过程[38]。电吸附工作过程如图8所示。

图8 电吸附工作过程示意

Fig.8 Schematic diagram of the working process

of electric adsorption

虽然电吸附技术在水处理领域得到迅速发展，但目前仍缺乏突破性的电吸附理论研究，对电吸附机理与模型的深入研究是实现技术突破的关键，也对未来电化学领域研究具有指导性意义。由于电吸附技术稳定性较差、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应用，为此可从以下2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。

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