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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
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