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2.5 电吸附技术与其他技术比较
除电吸附技术外,电除尘和电渗析技术均是重要的电化学技术。电除尘工作过程如图9所示[39]。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结合,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未收集。
图9 电除尘器除尘流程
Fig.9 Dust removal flow t of ESP
电渗析(ED)工作原理如图10所示[40],其具有能量消耗少、药剂耗量少、环境污染小、设备简单操作方便、除盐浓度适应大、用电较易解决和运行成本较低等优点。但与电吸附技术相比,电渗析装置组装难度大,脱盐无法分离难以解离或解离度小的物质,因此还需要后续处理,且设备易产生极化结垢和中性扰乱,导致除盐效率下降。
图10 电渗析原理
Fig.10 Principle of electrodialysis
综上,与其他技术相比,电吸附技术的优势突出:
1)吸附量大
应选取比表面积较大的吸附材料,本身即具有较好的吸附容量。通电后,会在吸附材料表面形成双电层,双电层的扩散层被压缩,电荷密度增大,反离子的需求量增加,使更多的离子聚集到双电层中[41]。在电场力作用下,离子的迁移速率增大,使离子更易被吸附在材料上。此外,通电后吸附材料的吸附容量比未通电的吸附材料大5~10倍[42]。
2)成本较低
电吸附工艺装置投资略高于热法和膜法工艺装置,但在后续的运行过程中,减少了加药费用及膜更换费用。由于吸附材料一般选取廉价易得的碳材料,该材料具有较好的稳定性,无需频繁更换。
3)无需加药,无二次污染
在整个过程中,不添加药剂,即可实现对水中盐分进行脱除,节约成本,且可避免不必要的杂质[43]。电吸附系统本身不产生新的排放物,避免了二次污染。
4)操作灵活
若实现吸附与脱附过程之间的切换,仅需电极倒换;处理水量及排放水浓度均可根据需要调控。
5)耐受性强
电吸附装置核心部件使用寿命长,不需经常更换部件,运行成本较低。
综上,在电力行业废水处理与污染水再利用领域,电吸附技术具有明显的技术优势和经济优势。因此,将电吸附技术用于废水处理具有良好的发展潜力。
3 电吸附技术在电力行业的应用
电吸附技术具有诸多优势,广泛应用于海水淡化、电厂循环冷却排污水、煤矿矿井水、工厂印染废水和脱硫废水等领域。
3.1 循环冷却排污水处理
循环冷却排污水在工业用水中占较大比重,广泛应用于电力、石油和钢铁等行业。电厂循环冷却污水水量大、含盐量高、余热大、有毒物质多,对环境危害大。若不对其进行处理,会使循环冷却水系统的设备发生结垢和腐蚀,影响生产过程。
利用电吸附技术处理循环冷却排污水是缓解水资源紧缺的有效手段。Ma等[44]以实际循环冷却排污水为研究对象,在最佳试验条件下,探究脱盐性能和主要离子去除效果,研究表明电吸附技术对电厂循环冷却排污水脱盐处理效果良好。李永辉[45]对循环冷却水进行电吸附脱盐试验,表明该技术对Cl-和Ca2去除效率好,出水能够满足开式循环冷却水的要求。Shen等[38]针对电厂循环水系统的排污水盐分含量、产水量大且回用难等问题,将电吸附技术应用于废水脱盐再利用领域,研究结果表明整个电吸附试验装置可实现连续稳定运行,对电厂循环排污水初级脱盐处理具有良好的可行性。
3.2 脱硫废水处理
《火电厂污染防治技术政策》对电厂废水处理设计进行了明确规定,由于脱硫废水成分复杂、含盐量高、腐蚀性强、含有复杂重金属物质等,脱硫废水零排放是当前电力环保的重点[46-47]。
电吸附技术具有操作灵活性高(可根据水质要求灵活控制出水水质)、可吸附容量大、无需加药及自动化程度高等特点[48],电吸附电极通常由高孔炭材料组成[49]。与反渗透和蒸馏不同,电吸附工艺无需高压或高温,可在室温、连续水流作用下施加小电压运行[50]。与电渗析相比,该技术未采用离子交换膜,因此不会发生膜堵塞问题,对进水水质要求不高。与膜法浓缩减量相比,无需更换膜、运行成本低、不易结垢和堵塞[51]。与烟气蒸发浓缩技术对比,电吸附不易结垢;烟气浓缩塔酸性较强,极易对设备造成腐蚀,而电吸附由于无需加药以及无二次污染等特点,可避免此类现象发生[52]。此外,在电厂尾部无足够空间搭建额外脱硫废水处理装置时,电吸附占地空间小,可有效解决此问题。因此,利用电吸附技术作为脱硫废水的减量单元,具有较大的优势和广阔的应用前景[53]。电吸附技术构建的脱硫废水零排放工艺流程如图11所示,经三联箱处理后的脱硫废水,首先进入微滤系统,去除水中残留的悬浮物;然后进入电吸附装置,脱除水中盐分,产生的淡水返回脱硫塔回收利用,浓水可进入旁路烟道一并处理或电解生成杀菌剂用于循环冷却水中。该系统将电吸附作为旁路烟道蒸发技术的前处理单元,耦合了膜法处理、电吸附、烟道蒸发技术优势,实现集成创新。
图11 电吸附技术应用于脱硫废水零排放工艺概念
Fig.11 Application of electric adsorption technology to the
concept of zero-disge process of desulfurization wastewater
利用水中的COD和氨氮(其形态与pH值有关)以带电离子形态存在的特点,潘利祥等[54]采用电吸附深度处理废水,试验结果表明:处理后脱硫废水中的COD、氨氮及重金属离子浓度降低,可实现部分废水的循环利用。
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