论文部分内容阅读
含盐废水继COD、氮磷、重金属污染之后,成为水处理领域的重要关切,而一价盐的脱除是该类废水治理的难点之一,现有脱盐工艺对一价盐的脱除率远低于多价盐离子。电容去离子技术(Capacitive Deionization,CDI)是近年来新兴的一种电容性脱盐技术,其与传统脱盐技术相比较具有低能耗、环境友好等众多优势,是当前脱盐领域研究的热点之一。本论文聚焦CDI电极、反应器的开发,在放大电极面积的反应器平台上,采用聚偏氟乙烯(PVDF)涂覆法制备了活性炭(Activated Carbon,AC)涂层电极和碳包覆的磷酸钛钠(NaTi2(PO4)3/C)涂层电极,分别设计组装了膜电容去离子(Membrane Capacitive Deionization,MCDI)和混合电容去离子(Hybrid Capacitive Deionization,HCDI)两种新型的CDI反应器,来进行一价盐的强化脱除探究。通过探讨活性炭电极制备条件对电吸附性能的影响,发现在相同CDI实验条件下,经一定预处理后的AC电极的离子吸附量是未经预处理电极的1.7倍,因此对活性炭材料进行一定的预处理以脱除其中灰分,可以很好地提升电极的脱盐性能。电极成型过程中,粘结剂含量对CDI电极性能有显著影响。实验结果表明,活性炭粉末、导电炭黑、PVDF按8:1:1的比例涂覆于集流体泡沫镍上,制备得到的电极具有最佳脱盐性能。此外,集流体泡沫镍的厚度对电极脱盐性能的影响不大。通过在CDI装置中引入阴阳离子交换膜得到MCDI处理单元,实验结果表明,MCDI的脱盐效果明显优于CDI处理单元,前者的离子吸附量约为后者的3.3倍。其机理是MCDI极大改善了传统电容去离子过程中存在的“共离子效应”,从而大幅度提高了 CDI的脱盐性能。同时相较于CDI,MCDI还具有更出色的循环稳定性。后续通过对MCDI工艺条件进行单因素优化实验得到其运行的最佳工艺参数:工作电压1.2 V,进水流速20 mL/min,极板间距1.5 mm。为进一步强化CDI对一价盐的脱除能力,本论文通过溶胶凝胶法成功制备了介孔微米花态的磷酸钛钠(NaTi2(PO4)3)和碳包覆的磷酸钛钠(NaTi2(PO4)3/C)材料,设计组装了 AC+//NaTi2(PO4)3/C-和AC+//[AC-NaTi2(PO4)3/C]-两组HCDI脱盐单元进行NaCl的脱除探究,然而实验结果显示该HCDI系统的离子吸附量低于AC+//AC-传统CDI脱盐系统。针对该现象,本论文提出以下几种可能存在的原因:a.磷酸钛钠材料在水系电解液中的嵌钠比容量较低,几乎只达到其理论嵌钠比容量的39%;b.在相同电极质量情况下,NaTi2(PO4)3因其较大的分子量电极含有的有效活性组分相对较少,从而可嵌入脱除的钠离子数目较少;c.磷酸钛钠导电性较差,碳包覆依然满足不了其应用于HCDI脱盐的导电性要求;d.水中溶解氧可能对磷酸钛钠电极的嵌钠过程产生影响,从而降低NaTi2(PO4)3村料的实际嵌钠比容量。综上,通过在放大电极平台上构建膜复合电容去离子脱盐系统,并对电极制备、流场以及MCDI运行的工艺参数进行优化,有效强化了电容去离子技术对一价盐的脱除效果;同时探究了钠离子电池材料NaTi2(PO4)3应用于HCDI系统的可行性,进一步推进HCDI技术的发展。