连续进水运行模式电容去离子技术研究

作     者：张若汉 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒋绍阶

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：电容去离子 活性炭电极 法拉第反应 吸脱附过程 动力学分析 运行模式 

摘      要：淡水资源匮乏已经成为中国乃至世界范围内越来越严重的问题。通过淡化海水、微盐水来获得可持续的淡水供应是最可靠、可行性最高的解决方法。现有的成熟淡化技术,例如反渗透、多级闪蒸、多效蒸馏、电渗析等,都存在维护成本高、温度高、能耗高、预处理复杂等问题。而电容去离子技术(Capacitive deionization,CDI)拥有运行模式简单、能耗低(通常在外加电压1-1.4V的条件下运行)、材料成本(市售活性炭即可)低等优点,极有潜力替换老技术成为新一代的淡化技术。现有关于电容去离子的研究多集中于新型碳材料的开发,均采用简易的间歇模式进行除盐实验。为实现该技术的实用化,有必要对连续运行模式下的电容去离子技术进行更深入的研究。将电容去离子装置分别以间歇运行模式与连续运行模式工作,通过对比探讨两种运行方式在流速、溶液浓度、电压、溶液体积等工作条件下的各自的优缺点与异同之处,为实现电容去离子技术实用化提供参考。采用活性炭涂层电极,研究了连续运行模式下的电容去离子过程中出水酸碱度的变化情况,探讨了电吸附行为与法拉第反应之间的关系,同时以氯化钙和氯化镁溶液模拟硬度水体,分析了电容去离子技术对硬度去除的可持续性。研究表明,随着电压的升高,电容去离子过程中有不同的法拉第反应发生,同时阴离子的电吸附行为促进了溶解氧和过氧化氢的还原;阳离子的电吸附行为促进了活性炭电极的氧化和水的电解,而氯离子的氧化对出水酸碱度的影响可以忽略。在较高电压下,电极内部溶解氧的过快消耗可能导致出水酸碱度的下降。电容去离子装置在去除钙镁离子时表现了很好的可持续性,钙镁离子不会对活性炭电极造成结垢问题。以一级动力学和二级动力学方程为基础,研究了连续模式运行电容去离子过程中连续运行模式下盐离子在活性炭电极上的吸附/脱附过程,分析了流速、进水浓度、电极厚度、工作电压对离子吸脱附过程的影响。实验结果表明存在一个最佳脱附流速,高于或低于最佳脱附流速都会阻碍离子的脱附过程;随着进水浓度的增加,吸附量不会显著增加,同时离子吸附速率增加而脱附速率降低;增加电极厚度导致吸附速率与脱附速率显著降低;在高电压下的离子吸附速率与脱附速率均低于低电压,造成这一现象的原因可能是电极间距的最小化;动力学分析表明连续运行模式下盐离子在活性炭电极上的吸附/脱附过程符合准一级动力学模型。