电吸附水处理技术（EST）的原理及构成

孙晓慰，朱国富
（常州市水处理技术协会，江苏 常州 213022）

　　摘要：利用带电电极表面吸附水中离子或带电粒子从而达到净化水或使水脱盐的目的。对电吸附技术的研究结果表明，该技术用于水的除盐具有能耗低、使用简便以及对环境友好等特点。
　　关键词：给水处理；电吸附；脱盐水；水质净化
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009-2455(2002)04-0018-03

Princple and Makeup of ElectroSorb Technology in Water Treatment
SUN Xiao-wei，ZHU Guo-fu
(ChangZhou Water Treatment Technology Association，Changzhou 213022，China)

　　Abstract：The surface of the charged electrode can absorb the ions or charged particles in water and then purifies water or removes minerals from water．The research shows that ElectroSorb technology is of low energy consumption and is environment friendly．
　　Key words：feed water treatment；ElectroSorb；demineralized water；water purification

　　电吸附水处理技术（EST）及EST模块，不久前问诸于世。以EST模块为核心组装而成的处理系统可用于水的除盐、去硬、淡化及饮用水深度处理、电镀废水处理等等。本文根据作者在EST技术研究开发及实际应用过程中所得结果，着重介绍EST技术的基本工作原理及有关EST模块化设计及系统组合的实验数据。

1 电吸附水处理原理

　　EST技术是利用带电电极表面吸附水中离子或带电粒子的现象，使水中溶解的盐类及其它带电物质在电极表面富集浓缩而实现水的净化或淡化。图1为电吸附水处理的原理示意图。原水从一端进入由阴、阳电极形成的通道，最终从另一端流出。原水在阴、阳电极之间流动时受到电场作用，水中离子或带电粒子将分别向带相反电荷的电极迁移，被该电极吸附，储存在电极表面所形成的双电层中。随着离子/带电粒子在电极表面富集浓缩，使通道水中的溶解盐类、胶体颗粒及其它带电物质的浓度大大降低，从而实现了水的除盐及净化。

1.1 电极吸附量计算
　　根据双电层理论，电极表面的离子吸附量与体相浓度及表面电位之间有如下关系：

　　
　　式中：q－表面电荷数；
　　　　　ε－水在电极表面的介电常数；
　　　　　C－水中离子浓度；
　　　　　z－离子电价数；
　　　　　F－法拉第常数；
　　　　　φ－电极表面电位；
　　　　　R－通用气体常数；
　　　　　T－热力学温度；
　　　　　n－实验所得常数。
　　从上式可以看出，当电极表面电位达到一定值时，双电层离子浓度可达溶液体相浓度的成百上千倍。
1.2 EST电极的吸附
　　当含有一定量盐类的原水经过由高功能电极材料组成的EST模块时，离子在直流电场的作用下被储存在电极表面的双电层中，直至电极达到饱和。此时，将直流电源去掉，并将正负电极短接，由于直流电场的消失，储存在双电层中的离子又重新回到通道中，随水流排出，电极也由此得到再生。
　　EST模块处理效果的好坏主要取决于电极的吸附性能。通常，对材料吸附能力的描述是通过获得吸附等温线来进行的，而对电吸附来说，除了要考虑到温度的影响外，还必须考虑电极电势的影响。因此，本技术的研究是从通过测定等温等电势线，了解掌握电极材料的电吸附性能着手。
　　图2示出电极材料对氯化钠的吸附等温等电势线。实验条件为温度25℃，电极电压1V。通过对曲线的回归计算；得出吸附量与平衡浓度的关系，如下式所示，吸附量与平衡浓度呈平方根关系，符合上述双层理论计算式的预测。
　　m_ad=0.6·C^0.50
　　式中：m_ad－每克电极材料的吸附量，mg/g；
　　　　　　C－氯化钠溶液的平衡浓度，mg/L。

2 EST模块设计

2.1 EST模块
　　用高效功能性电极材料，依据水力学、电化学、机械学、电子控制学理论设计加工成电吸附水处理设备的组合单元件——EST模块，这是使这一技术走向产业化的关键。模块可由左右端极、阴阳电极接头、高效功能性材料阴极板和阳极板、隔离密封垫、压紧螺栓螺母、支承架等组成，阴、阳电极板和隔离密封垫之间形成水流通道，同时设置了进出水管路。EST模块及其结构示意见图3。

　　端极和支承架是固定电极板和承受水流压力、自重的零件，必须是绝缘性好，有较高机械强度的材料。进出水管道及阀门在设置时，也应充分顾及水流畅通及控制调节方便等因素。
2.2 EST模块工作过程
　　原水从EST模块的进水端导入，经过阳极板－隔框－阴极板，阴极板－隔框－阳极板……多对电极与隔框组成的水流通道，最后从出水端排出，其工作过程如图4曲线所示。运行时，进出水阀门开启，直流电源接通，即可以产生电导率大大低于原水的除盐水。试验表明，当进水含盐量在1000mg/L以下时，经EST模块处理后出水电导率低于30～50μs/cm。随着运行时间的延长，一般在5～6h后，电极表面吸附量趋于饱和。此时出水电导将升高，系统将进入再生阶段。再生时，出水阀门关闭，排污阀开启，同时直流电源断开，EST模块阴阳两极短接，则工作过程中富集在电极表面的离子就会从电极表面解析下来，随水流经排污阀冲走，再生排水的电导瞬时高峰值，是原水电导值的5～10倍，甚至更高。再生时间一般为运行时间的1/4～1/6，因为离子需要有一个扩散穿越电极材料的过程。当再生排水电导与原水电导相当时，则可认为再生结束，系统进入第二个运行周期。

2.3 EST模块的并联与串联
　　针对各特定的应用场合可根据需要将模块作任意组合以实现处理目标，当需要处理水量大时，或需要连续供水时，则必须采用两个或以上的工作模块并联运行工作方式，一个模块在再生，另外的模块在工作，这种模块化并联运行设计组成的设备就可以不间断地供水和成倍的增加处理量。运行试验表明EST模块并联运行时处理水量可成倍地增加，单位出水的耗电量保持不变。
　　而当处理水中含盐量杂质较多，而要求出水的纯净程度又较高时，单级EST模块处理往往难以保证其可靠性和经济性，如处理海水、地下苦咸水获取高纯水，此时就必须采用多级EST模块串联运行的方式。试验表明上ST模块串联运行处理水单级单位耗电量几乎不变，而处理深度将会随串联节数递增。

3 电吸附水处理技术的特性

3.1 运行能耗低，水利用率高
　　EST技术的能耗很低，其主要的能量消耗在于使离子发生迁移，而在电极上并没有明显的化学反应发生，如有必要还可以将所用的能量回收一部分过来，即将吸附饱和的模块上储存的电能再加到另一再生好的模块上，也即所谓的“秋千式”供电方式。这与其它除盐技术相比可以大大地节约能源。一个实验模块以50t/h流量、85％除盐率处理TDS为1000mg/L的原水时，能耗仅约为60W。其根本原因在于EST技术净化/淡化水的原理是有区别性地将水中离子提取分离出来，而不是把水分子从待处理的原水中分离出来。
3.2 水利用率高
　　EST技术可以大大提高水的利用率，一般情况下水的利用率可以达到75％以上；如采用适当的工艺组合，甚至可达90％以上。
3.3 无二次污染
　　EST技术不需任何化学药剂来进行水的处理，从而避免了二次污染问题。EST系统所排放的浓水系来自于原水，系统本身不产生新的排放物。与离子交换技术相比，省去了浓酸、浓碱的运输、贮存、操作上的麻烦，而且不向外界排放酸碱中和液。
3.4 操作及维护简便
　　由于EST系统不采用膜类元件，因此对原水预处理的要求不高，而且即使在预处理上出一些问题也不会对系统造成不可修复的损坏。铁、锰、余氯、有机物、钙、镁、pH值等对系统几乎没有什么影响。在停机期间也无需对核心部件作特别保养。系统采用计算机控制，自动化程度高，对操作者的技术要求较低。从理论上讲，EST模块可以长期服役，预期寿命至少在20a以上。

4 结语

　　EST技术及系统不仅可以被应用在饮用水的处理上，还可以在电子电力、化工制药、轻纺造纸等工业的工艺用水及锅炉补给水处理以及环保废水、污水处理等领域得到应用。苦咸水淡化乃至海水淡化将是EST技术的一个更加诱人的应用领域。

作者简介：
孙晓慰（1963～），男，江苏丹阳人，1998年毕业于美国安理工大学冶金与材料工程系，获博士学位，现任常州爱思特净化设备有限公司董事长兼总经理、常州市水处理协会会长，电话(0519)5105389，[email protected]．net；
朱国富（1944～），男，江苏常州人，高级工程师，现任常州市水处理技术协会秘书长，电话(0519)5119827，[email protected]。