电吸附模拟解读课件

1、电吸附技术北京化工大学机电工程学院电吸附（EST）技术简介1.什么是电吸附？-电吸附技术（Electrosorb Technology），又称电容性除盐技术（CDI），是20世纪90年代末开始兴起的一项新型水处理技术。其基本原理是基于电化学中的双电层理论，利用带电电极表面的电化学特性来实现水中带电粒子的去除、有机物的分解等目的。电吸附（EST）技术简介2.电吸附技术原理 -电吸附的原理目前广泛应用的是双电层模型。在施加电位时，在电极溶液界面形成双电层。当电极表面不带电荷时，主要被所吸附的水偶极分子覆盖，别的表面离子和分子也可能通过接触吸附。而当电极通电时，电极的电荷被带相反电荷的离子或带电粒子

2、在双电层的电解液一侧通过吸附补偿，或通过在外亥姆霍兹面(outer Helmholtz plane)与扩散层(Gouy-Chapman 扩散层)富集相反电荷得到补偿。这样离子或带电粒子就会在电极表面富集浓缩，使被处理水中的盐类、胶体颗粒及其它带电物质的浓度大大降低，从而实现水的除盐、去硬、淡化和净化。 2.电吸附技术原理 双电层模型理论 根据电化学理论，在电极与电解质溶液的两相间施加低于溶液的分解电压时，电荷会在极短距离内重新分布、排列。作为补偿，带电电极会吸引溶液中的带相反电荷的离子，界面剩余电荷的变化将引起界面双电层电位差的改变，从而形成紧密的双电层，并在电极和电解液界面存储电荷。 目前广

3、泛应用的双电层模型是Gouy -Chapman - Stern (GCS )模型。GCS 模型认为，双电层包括紧密层与分散层两个部分，双电层总的电压降等于紧密层的电压降和分散层的电压降之和。在GCS双电层模型基础之上，Ying等建立了考虑微孔区双电层重叠效应的模型： 式中： d为分散层电压；V为外电压；ecm为电毛细极大值时电极电位；0为电荷面密度，C/m2；C1为内层电容，F/m2。 Hou等为了研究在纳米材料孔洞内双电层的形成，采用了修正的双电层模型。 2.电吸附技术原理 式中：为双电层电压，V；d为分散层电压，V；0为表面电压，V；m为中板电压，V。2.电吸附技术原理 电极吸附量计算 根

4、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：令 则 式中：q表面电荷数； 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；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 双电层电荷量的影响因素2.电吸附技术原理 双电层电荷量与温度的关系 电极界面双电层饱和电荷量对温度是非常敏感的，随温度升高而迅速降低。 原因有两方面：第一，由于温度升高，电极过电位减小，电场力减弱，电极表面对离子的吸附能力降低； 第二，温度上升后，溶液粘度下降，电极表面对离子的粘附力减小。 2.电吸附技术原理 双电层电荷量与溶液物质的量浓度的关系 电极界面双电层电荷量随

5、溶液物质量浓度的增大而增大，但由于电荷量与离子的物质量浓度的平方根成正比，电荷量在高浓度时增加很少，因此电吸附优势在原水含盐量很高时逐渐消失，适合处理盐浓度较低的溶液。2.电吸附技术原理 双电层电荷量与电极电势的关系 电极界面双电层电荷量对电极电势也是非常敏感的，随电极电势的增大而迅速增大。 但当电势过高时，导致溶液电解反应的发生，增加了能耗。 2.电吸附技术原理除盐原理2.电吸附技术原理降解COD原理 在双电层的溶液一侧，包含溶剂分子和特性吸附的一些其它物质(离子或分子) ，溶剂化离子同荷电的电极的相互作用，仅仅涉及远程的静电力，因此它们的相互作用从本质上说与离子的化学性质无关，这些离子被称

6、为非特性吸附离子。 在强电场作用下，在电极表面生成寿命短、氧化性极强的活性物质, 主要为OH羟基自由基，可以使一些难以降解的有机污染物质更容易被分解,并且不会造成无二次污染。 电吸附（EST）技术研究1.电吸附电极材料的研究 电吸附技术除盐，电极是电吸附技术的关键。按照材料的不同，国内外主要研究包括以石墨、活性炭、活性炭纤维和炭气凝胶等材料做电极的电吸附技术。电极示意图1.电吸附电极材料的研究 1）石墨电极 石墨作为一种经典的电极材料，尽管其本身并没有显著的吸附能力，但可用作电吸附剂。 石墨电极作为最早的电极材料曾一度引起许多研究者的兴趣，它有着良好的机械性能及可加工性，在电吸附初级阶段得到了

7、一定的发展，随着新型炭材料的出现逐渐被取代。 1.电吸附电极材料的研究 2.活性炭电极 活性炭是水处理中应用最为广泛的吸附剂，有活性炭粉末和活性炭颗粒两种产品形态，具有生产简单、成本低等优点。 尽管研究表明活性炭具有良好的去除重金属离子的效果，但是由于活性炭电极本身高电阻和传质阻力的缺点限制了它在实际中的应用。1.电吸附电极材料的研究 3.活性碳纤维电极（ACF) 活性碳纤维有高比表面积和较大的吸附容量，并且活性碳纤维制品种类众多，有毛毡(无纺布) 、纸片、蜂窝状物、织物、杂乱的短纤维和纤维束等形状，因为可以直接剪成合适的尺寸做电极片，使得活性碳纤维作为电吸附电极更简单方便，易于实现。1.电吸

8、附电极材料的研究 4.碳纳米管电极 碳纳米管具有特殊的中空结构、大的比表面积、低电阻率和很高的稳定性，广泛应用于电池材料、储氢材料、平面显示器材料、化学传感器材料和超大容量电容器材料等领域。1.电吸附电极材料的研究 5.炭气凝胶电极 炭气凝胶(Carbon aerogels)是一种新型的多孔炭材料，在过去10年中得到了广泛的应用。炭气凝胶由美国Lawrence Livemore国家实验室研制开发，它是由间苯二酚甲醛聚合物凝胶裂解而制，可以根据需要制成不同的形状，如块状、珠状和薄膜纸状。炭气凝胶由许多纳米开孔(330 nm)和中间孔(50nm)构成，比表面积通常很大(4001100 /g) ，电

9、导率很高(10100 S/ cm)。炭气凝胶电容性电吸附去除水溶液中重金属和无机盐的研究表明，炭气凝胶用作电吸附剂在水体净化等诸多领域拥有更为广阔的空间。1.电吸附电极材料的研究 炭气凝胶1.电吸附电极材料的研究 6.复合电极 Yang等制备了比表面积为9001700 m2/g、密度为0.05 g/cm3的碳气凝胶。再将硅胶按不同比例加入到碳气凝胶中，通过黏贴滚压法即可制成电极。 Zhang等和D ai等用活性炭和碳纳米管制备了复合电极片。研究结果表明，含质量分数为10%碳纳米管的复合电极的除盐性能最好，并且很容易高效再生。 Gao等用碳纳米管和纳米纤维制备了复合薄膜电极(CNTs - CNF

10、s) 。实验中用直流式磁控电镀法在0.3 mm厚的石墨基底上沉积一薄层Ni催化剂，再用低压低温热化学气相沉积法制备CNTs CNFs薄膜电极。该电极用0.5 mol/L的HCl浸泡去除催化剂Ni之后，用于研究不同阳离子的优先吸附特性。 电吸附（EST）技术研究2.电吸附设备工作过程的研究 1）电吸附的工艺研究 电极的饱和 水中离子及溶解的矿物质的多少称为水的矿化度。矿化度大，水中的可溶矿物含量也就越多，对电吸附的电极要求也就越高，其主要的是电极的表面积。在一特定表面积的一对电极形成的电场中，处理一定量的水量后，阴、阳电极就会聚集一定量的离子（粒子），这些同类离子层间就会产生巨大的排斥力，使后来

11、的离子（粒子）不能被吸附而随水流走，失去淡化作用，此时称之为电极的饱和。对于某一成品的设备，电极工作吸附量的值量可用下式计算： 式中，v 为电极间的平均线流速；t为工作周期的工作历时间；G为进水的矿化度；g 为出水的矿化度 2.电吸附设备工作过程的研究 电极的恢复 当电极达到饱和时，就必须进行电极的恢复.恢复的方法是将电极的极性改变，也就是将电极反相。利用同极性相斥的原理，将吸附在电极土的带电离子(粒子)排斥释放到流动的水流中随水流出。这样电极就得到了有效的恢复。 工作电压与电流密度 在电吸附的工作过程中，在电流的作用下，阳极一水流一阴极就形成了一个完整的闭合电路。在这个电路中的运行电流与电极

12、的面积之比称其为电极的运行电流密度，而满足工作电流密度下的电压，称其为工作电压。 电流密度的大小，是与要处理的原水水质成正比的，水的矿化度越大在得到同样的脱盐率的情况下，所使用的电流密度也就越大。 对于特定的设备，为了得到一定的脱盐率，一般情况下是根据原水的矿化度先设定电流密度。电压的高低，一般按满足电流的需要来设定，但所使用的电压一般在一对电极间不超过1.2V。 2.电吸附设备工作过程的研究 2）电吸附的工艺流程2.电吸附设备工作过程的研究 2.电吸附设备工作过程的研究 2）电吸附过程影响因素的研究电压对吸附工作过程的影响 研究表明，随着电压增大，电极的吸附量也显增多。不同电压下，电吸附设备

13、的能耗与除盐率的对比对理想电压的选择也有着重要的影响。一般来说在较高的除盐率情况下，选择能耗相对较低的电压。流量对吸附工作过程的影响 研究表明，工作出水电导率随着流量的增大而升高。不同流量下的能耗与除盐率的比较需要综合考虑能耗和除盐率，从而判断电吸附设备的最佳工作流量。重碳酸盐碱度对吸附的影响 离子脱附率，是再生过程中电极脱附离子量与工作过程电极吸附离子量的比值，可反映电极的再生效果。 2.电吸附设备工作过程的研究 重碳酸盐酸化吹脱对吸附的影响 在利用电吸附设备处理高碱度的含盐水时，首先进行酸化吹脱尽量去除水中的HCO3- ，可以减少其对电吸附设备的负面影响。工作及再出生水的碱度 连续8个周期

14、的出水电导率 电吸附（EST）技术研究2.电吸附的模块设计 EST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模块示意图 电吸附 研究方案电吸附技术处理工业废水盐碱分离实验研究。 1.1 高性能电极材料的研制； 1.2 电吸附技术处理工业废水的试验研究 （1）电极材料对工业废水盐碱分离的影响； （2）电压、溶液流量、含碳酸盐浓度等工艺条件参 数对工业废水盐碱分离的影响。电吸附 研究方案电吸附 研究方案设备规格与型号储存容器1 m1 m1 m 不锈钢23个气路管线尺寸

15、3 mm0.5 mm不锈钢管真空泵流量：5 m3/h，扬程：10 m23个流量计最高流速：5 m/s电能表220 V，50 Hz，标定电流：10 A设备参数电吸附 研究方案项目技术指标进水平均电导率，s/cm1500出水平均电导率，s/cm750平均水流量，m3/h11.2耗电量，kW/h0.6工艺指标电吸附 研究方案实验条件的确定（1）高性能电极材料：碳纤维材料；电极尺寸：1 800 mm 300 mm 215 mm （2）气路管线材料：不锈钢管 （3）操作温度及仪器进样口温度：常温 （4）实验用水要求：样品水；进样量：1.2 m3/h （5）操作压力： 真空泵抽压力：0.1 Pa 过程压力

16、： 0.1 Pa 600 kPa电吸附 研究方案实验内容（1）电极材料的影响实验 作为性能优良的双电层电极必须具备4 个条件：高的比表面积；好的导电性；好的极化能力；与反应液不发生任何化学反应。由于碳材料如活性炭、炭气凝胶及活性炭纤维等不仅导电性能良好，而且具有很大的比表面积，置于静电场中时，能在其与电解质溶液界面处产生很强的双电层。在实验过程中，电导率下降得愈快、程度越大，则在其它条件相同的条件下电极性能越好。本实验中选取不锈钢，活性炭，炭气凝胶以及碳纤维纳米复合材料等作为电极，分别做出其电导率-时间吸附曲线，从而对电极材质对电吸附的影响进行分析。实验内容（2）工作电压的影响实验改变每对电极

17、两端电压，分析不同电压下的能耗和除盐率的变化，以期得到关系曲线。（3）流量的影响实验保持每对电极两端电压不变，改变电吸附设备的流量，分析不同流量下的能耗和除盐率的变化，以期得到关系曲线。（4）重碳酸盐含量的影响实验保持其他实验条件不变，测量不同碱度下Cl-和HCO3-的脱附率。电吸附 研究方案假设：水流通过一根1m长的水平直通管，其中入口速度是0.3m/s，工业废水的密度约为1070kg/m3，运动粘度为 = 2 x 10-5 kg/(ms)，管内径为0.03m。计算出雷诺数为450，可知该流体运动为层流流动。下面在GAMBIT中建立该湍流模型并对其进行网格化分。模拟工业废水在直行管道内的流动

18、经过FLUENT模拟运算，可以得到工业废水在直行管道中的流动速度分布，和速度矢量图，由于液体的粘流性能，出现了 挂壁现象，也就是中间速度高于管壁的速度，可以通过改变液体的粘流系数和密度等物理性能计算出所需要的实际层流速度，如下所示：工业废水在直行管道中的流动速度分布工业废水在直行管道中的流动速度矢量图假设2：水流通过直行管道的接头处，其中入口速度是0.3m/s，模拟其在弯管内的流动速度分布。先用GAMBIT模拟弯管构型并对其进行网格化分。模拟工业废水在弯管内的流动工业废水在弯管接头中的流动速度分布图经过FLUENT模拟运算，可以得到工业废水在弯管街头处的流动速度分布，和速度矢量图，如下所示：工

19、业废水在弯管接头中的流动速度矢量图假设3：含有酸碱盐杂质的工业废水通过电极板时，自由移动的离子在外加电场的作用下发偏移，电而极表面就可以吸附溶液中的带电粒子。下面模拟一个带正电的离子在电极板中的运动。先用GAMBIT模拟出电极板内空间以及带电粒子，并对其进行网格化分（为了明显看出试验效果，将离子体积扩大化处理）模拟工业废水在电极板间的流动利用FLUENT的动网格模型，模拟出在水平流速为0.3m/s，电压为1.5V时，利用Stokes定律，如下，模拟单个带电粒子在电极场中的运动情况。初始状态下工业废水中带电粒子的位置在Stocks定律中，已知式中：u为离子向电极的运动速度；为水的粘度；r为离子的

20、有效半径。则离子向电极的运动方程为 其中： E为电场强度； m为离子质量。对其积分，并由初始条件u(0) = 0 ，可得 假设电吸附过程中，待吸附离子到达电极界面时，溶液流经电极的特征长度为l，则时间为t= l / v。离子向电极的运动方程为：在t 时间内离子受电极作用移动的距离W满足其中：离子质量的数量级为10-26 kg；离子半径的数量级为10-10 m；溶液粘度的数量级为10-3这样，会在极短的时间内趋近于0。则离子向电极界面运动速度为，在电吸附过程中，施加的电极电压在溶液分解电压以下，且电极间距很小，一般不超过5 mm 。在模拟过程中，设定运动粘度为 = 2 x 10-5 kg/(ms

21、)，Fe3+所带电量为4.810-19C，其离子半径为55pm，假设电场均匀，则电场强度E=300v/m，计算得出离子向电极界面运动速度为6.948 x 10-3 m/s。水平水流速度已知为0.3m/s，利用FLUENT动态模拟出0.1s和0.3s时的离子运动情况。，0.1s时带电粒子在电极场中的位置0.3s时带电粒子在电极场中的位置，模拟工业废水在电极板间的流动实验模拟：1）在保证一定的水平水流速度0.3m/s以及其他物理参数不变的前提下，改变外加电压的大小。电压(V)0.511.52垂直电场速度（m/s）2.316 x 10-3 4.632 x 10-3 6.948 x 10-3 9.26

22、4x 10-3 电压(V)2.533.54垂直电场速度（m/s）11.58x 10-3 13.896x 10-3 16.212 x 10-3 18.528x 10-3 ，将各个参数带入FLUENT模拟器，迭代到终点，分别模拟出各个电压下带电粒子在电极场中运动，如下图所示带电粒子在1.5v电极场中的位置带电粒子在2v电极场中的位置带电粒子在1 v电极场中的位置带电粒子在0.5v电极场中的位置带电粒子在3.5v电极场中的位置带电粒子在4v电极场中的位置带电粒子在2.5v电极场中的位置带电粒子在3v电极场中的位置，将单个离子群聚化，模拟带同一电荷的粒子流在电极板间的流动。用GAMBIT做出电极板区域内运动的网格模型：在与单个离子运动相同的情况下，用FLUENT对带点粒子流进行模拟，查看电极板间带电粒子浓度的分布情况：同一电子流在4v电极场中的流动从上面的模拟中可以看出，当外加电压越大，被电极板所吸附的带电粒子越多，工业废水的碱分离也就越彻底。同一电子流在2v电极场中的位置，模拟工业废水在电极板间的流动实验模拟：2）在保证一定的外加电压1.5v以及其他物理参