MCDI吸附/脱附模型与去除垃圾渗滤液中无机离子的研究

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电容去离子技术(Capacitive Deionization,CDI)是一种通过循环充放电过程来实现离子的去除和电吸附装置再生的一种水处理技术.膜电容去离子技术(Membrane Capactive Deionization,MCDI)在CDI的基础上在电极表面覆盖离子交换膜(ion exchange membrane,IEM),通过抑制与膜极性相同的离子被吸附,从而提高吸附效率。与传统的技术相比,MCDI具有能耗低、再生性能好以及几乎不产生副产物等优点。高浓度氨氮以及大量腐殖质的存在一直以来都是MCDI应用于垃圾渗滤液除盐的重要难题。对MCDI技术的机理和应用进行探究,不仅具有重要的理论意义,而且对MCDI在垃圾渗滤液除盐等方面的实际应用有着重要指导作用。采用PE离子交换膜作为膜材料,以活性交联碳布(Activated Carbon Cloth,ACC)作为吸附材料组装MCDI装置。采用准一级动力学模型来拟合MCDI在吸附和解吸附过程中盐浓度的动态变化,并通过通过改变系统的初始盐浓度和循环流量,从而探讨模型的准确性和最佳的循环流量。结果表明,准一级动力学模型很好地描述了MCDI的吸附过程,但不能准确地描述脱附过程。40ml/min和60ml/min分别是最佳吸附和脱附的循环流量。ACC电极由大量粗细相同且相互缠绕的丝状纤维组成,孔隙以中孔为主,具有较大的孔体积、比表面积和比电容,有利于离子的吸附。对含有不同浓度梯度的氨氮和腐殖酸的模拟垃圾渗滤液进行吸附除盐实验。结果表明,氨氮浓度升高会增大MCDI对其中氨氮的吸附量,但其他离子的吸附量则会降低,TDS吸附量基本稳定在13mg/g左右;高浓度的氨氮对ACC电极没有污染作用,电极材料的比表面积、孔容和总比电容都仅有轻微降低或没有降低,能够多次循环使用;MCDI对含有氨氮的垃圾渗滤液的TDS去除率可以通过提高停留时间来增大,在停留时间达到31.25min后,TDS去除率可达59.45%,具有良好的去除效果。而腐殖酸浓度的升高会导致TDS吸附量下降(最高达45.86%),其中SO42-、NO3-和Na+吸附量衰减较大。多个循环后,第二、第三个吸附周期中大量腐殖酸会残留在电极上无法解吸附下来,导致电极材料的比表面积、总比电容下降和阻抗上升,电极的可逆性和稳定性明显变差,无机离子的吸附量显著降低,要采用MCDI技术对垃圾渗滤液进行除盐,必须加入如Fenton技术、MBR技术等前置工艺对其进行预处理,降低其有机污染物的含量。
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