（环境工程专业论文）磁场—电场协同吸附去除水中离子的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 水是人类环境的主要组成部分，也是生命的基本要素。但是，当今随 着人类生态环境的日益恶化，世界可用淡水资源正在逐渐枯竭并普遍受到 人为污染，全世界正砸临着可用淡水资源短缺的威胁。 目前为缓解淡水资源的短缺，人们正进行大量的研究，其主导方向不 外乎两个方面。一是对已污染的水进行处理，使其恢复其原有利用价值， 重新应用到人的生活和生产中，另一方面即是不断开发新的淡水资源，以 弥补淡水资源总量不足。 本文综合以上两个发展方向，提出磁场电场协同吸附去除水中盐离 子的新设想，研究并自制了实验装置。在此基础上，较系统地研究并确定 了电极、电场、处理溶液流量、浓度以及磁场形式和磁场强度等因素对磁 场电场协同吸附去除水中盐离子效率的影响规律。结果表明，磁场在本 研究现有的试验装置、试验范围和试验条件下，对电吸附去离子辅助效果 不大，但电场本身的吸附效果却很明显。在试验中，对电场而占所获及的 最佳操作条件为：采用石墨电极，电极间距3 m m ，直流电压3 5 v ，电流 密度2 0 8 2 8 9 a m 2 ，溶液流速1 2 5 m i l s 。在此最佳条件下，单级处理浓 度为2 5 0 r a g l 的n a c i 溶液2 h 后，溶液的导电率从8 8 5 u s c m 下降到 7 2 6 u s e m ，浓度为1 7 7 m g l 左右，除盐率为2 9 2 ；而对原溶液进行两级 串联处理后，电导率降至5 4 5u s c m ，浓度为1 0 0 r r i g l 左右，除盐率为6 0 ， 且除盐率随串级级数的增加而提高。 本文在处理模拟赫水获取的最佳参数条件下，还进一步利用本方法对 实际含重金属离子工业废水的处理及自来水的纯化进行了探索，同时对该 方法的实用性进行了经济分析和工业化设想。探索研究的结果表明，该方 法处理低浓度的含盐废水极为有效，其能耗远低于其他传统方法。而且本 文研制的反应器装置简单，易于实现工业化及自动化控制，具有广阔的应 用前景。 关键词：电场，磁场，电吸附，电极 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e ri sam a i nc o m p o n e n to fh u m a r le n v i r o n m e n t ，a n da l s ot h eb a s i ce l e m e n to fl i f e w i t ht h ed e c r e a s i n gl a l ，e f a c t i o no fo u re n v i r o n m e n t t h eu s e 曲l ef r e s hw a t e ri s f a c i n g p o l l u t i o na n db e c o m i n g e x h a u s t e di nt h el a r g e s c a l e ，a n ds h o r t a g ei sat h r e a tt ot h ew h o l e w o r l da sw e l l a tp r e s e n t , f o ra l l e v i a t i n gt h es h o r t a g eo ft h ef r e s h w a t e rr e s o u r c e s ，t h ep e o p l ea r e c a r r y i n go nt h em a s s i v er e s e a r c h e s ，a n di t s m a i nd i r e c t i o ni s n o t h i n gm o r et h a nt w o a s p e c t s o n o n eh a n d ，w es h o u l dt r e a tt h ec o n t a m i n a t e dw a t e rt or e s u m ei t so r i g i n a lv a l u e s ot h a ti tc a nb er e u s e di nt h ep e o p l e sl i f ea n dt h ef a c t o r i e s ，o nt h eo t h e rh a n d ，w ec a n d e v e l o p t h en e wf r e s hw a t e rr e s o u r c e st om a k e u p t h es h o r t a g eo f t h et o t a lq u a n t i 斜 t h i sp a p e rs y n t h e s i z et h et w od i r e c t i o n sa b o v ea n df i r s t l ym e n t i o nt h ep r e s u m p t i o n o fm a g n e t i cf i e l dc o o p e r a t i n gw i t he l e c t r i c f i e l dt or e m o v et h es a i t yi o ni nt h ew a t e r , r e s e a r c h e da n ds e l f m a d et h et e s t i n ge q u i p m e n t o nt h eb a s eo fi t ，ir e s e a r c h e da n d d e t e r m i n e dt h er u l e s y s t e m i c l y , w h i c hi s t h ee f f e c to fe l e c t r o d ef a c t o r , e l e c t r i cf i e l d f a c t o r ，m a g n e t i cf i e l df a c t o ra n dt h ef l u xa n dc o n c e n t r a t i o no ft h et r e a t e ds o l u t i o no n e f f i c i e n c y a n dt h er e s u l td i s c l o s et h a tt h ea l e c t r i cf i e l di sf e a s i b l et or e m o v et h es a l t yi o n i nw a t e r , w h i l et h em a g n e t i cf i e l dh a sn oo b v i o u si m p a c tt o h e l p t h ee l e c t r i cf i e l d i m p r o v i n g t h ee f f i c i e n c y i nt h ee x p e r i m e n t s ，lg e tt h eo p t i m a le x p e r i m e n t a lp a r a m e t e rf o r e l e c t r o s o r p t i o n ：t h eg r a p h i t ee l e c t r o d e ，s p a c i n g3 m mb e t w e e ne l e c t r o d e ，d cv o l t a g e ( 3 5 v ) ，t h ec u r r e n td e n s i t y ( 2 0 8 2 8 9 a m z ) ，t h es p e e d ( 1 2 5 m l s ) a n dc o n c e n t r a t i o no f t h et r e a t e ds o l u t i o n u n d e rt h i s o p t i m u mc o n d i t i o n ，t h e c o n d u c t a n c eo ft h et r e a t e d s o l u t i o nd e c r e a s e df r o m8 8 5 u s c mt o7 2 6 u s c m a n dt h ec o n c e n t r a t i o ni sa b o u t1 7 7 m l a f t e rt h e s i n g l eu n i te l e c t r o d et r e a tt h e n a c is o l u t i o n ( 2 5 0 m g t l ) 2 h t h ed e s a l i n i z a t i o nr a t e i sa b o u t2 9 2 a f t e rt w oc y c l e s t h ec o n d u c t a n c ca n dt h ec o n c e n t r a t i o no ft h et r e a t e d s o l u t i o nb e c o m e5 4 5u s c ma n d1 0 0 m g lr e s p e c t i v e l y , a n dd e s a l i n i z a t i o nr a t ei sa b o u t 6 0 g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h e d e s a l i n i z a t i o nr a t ei n c r e a s e sa l o n gw i t h p r o l o n g i n gt h e c y c l e s u n d e rt h eo p t i m u me x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r , t h i sp a p e ra l s oc a r r yo nt h er e s e a r c hf 0 t h e p u r i f i c a t i o n o ft h ea c t u a l h e a v ym e t a li n d u s t r i a l w a s t ew a t e ra n dt h et a pw a t e r u l t e r i o r l y , a t t h es a m e t i m e ，t h ep a p e rs t u d y t h ee c o n o m i c a la s s e s s m e n ta n d i n d u s t r i a l i z a t i o na n a l y s i so ft h i st e c h n o l o g y i t sf i n d i n g si n d i c a tt h i sm e t h o di se x t r e m e l y e f f e c t i v et ot r e a tt h el o ws a l tw a s t ew a t e r , a n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h i sm e t h o di s m u c hf e w e rt h a no t h e rt r a d i t i o n a lm e t h o d s ，m o r e o v e rt h ee q u i p m e n ti sv e r ys i m p l e ，a n d t 1 1 ei n d u s t r i a l i z a t i o na n dt h ea u t o m a t e dc o n t r 0 1i se a s yt ob er e a l i z e d i th a st h eb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：e l e c t r i cf i e l d ，m a g n e t i cf i e l d ， e l e c t r o s o r p t i o n ， e l e c t r o d e i l y 此页若属奥。诱申请人及导娜签名。 独创性声明 6 8 8 4 1 6 本人声明。所呈交的论文悬我个人在导师指导下进行的研究工 作及取褥魏磺窕痰暴。撵我耩鳐，豫了文孛特瓣烟爨撂注饔致港戆 地方外，论文巾不包含其他人融经发表斌撰写过的研究成果，德不 包食必获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或诞_ 书丽使成过 静车| 辩。与我一霹工佟静褥悫对奉研究掰骰静镁蘅贾簸游已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名：毫鲢垒盗日期出i 关手论文使用授投的说明 拳人竞垒了簿武汉瑷王大学奏关缳蘩、使翅学霞谂文熬攥邂， 即：学校有权保留送交论文的鬣印件，允许论文被查阏和借阏 学 校可以公布论文的全部内容，阿以采用影印、缩印或其他复制警段 僳存谂文。 ( 保密的论文在解密后成遵守此规定) 注：请将此声明装订襁论文韵目录前。 武蠛理：e 大学鞭1 ：举键谂_ 囊= 第 章雩l 言 。1 世界淡水资潦短缺翻污染现状及其发鼹趋势 窳怒火炎环壤煞圭簧组蔽都分，黉燕釜帮匏基_ 本要素。 遮球上麓零分稚在海洋、珠翊、雷l 主l 、潮漓、滔泽、褥流、大气、察 秘棒、童壤鞠羹煞瀑巾，谯全球形成了一个竞熬熬采系统。遗球上窳装蕊爨 戆蕊1 3 褥亿k 蠢，键与a 类生活耪艇产活动关系密韬x 察菇嚣爱利用翡 淡承键爨终必4 0 0 万k 菇爱蔽，较毒龛球总熬爨瓣0 + 3 ，囊冀楚灌溅农、 潮滔承萃瑟地下表“。爱逶，袋会潼发蹬了一 ； 磁褒羧整，两全 鎏暴发出了 淡拳瓷源短缺麴警搬。搬尝撰溱，鞭懿全毽赛纛分之以上静人蜀鲻1 2 钇入嚣猿“审豢度到蹇发缺零戆压力”( 农娥、工效霸人们墨三溪溺承戆靛 2 0 尚属安企，短缺2 0 4 0 朗瓣中等紧张程度，鼷短缺越过则 嚣予舞嶷紧张豹程发) 臻1 。羧拳鞭测，捌2 0 2 5 冬 鎏爨a 目将增至8 3 识， 加上第三毽器露裁爨大嘱攫的增妖，除非嚣蠢效媳利用淡承资源、减少 潺滚疑灏洎污凝、趣强污承联瓣率，黉羽全遐器将窍三分之一的太鞠游受 残“中嬲瘦剃糍度缺本的匿力”。 羟邋球上，出予海陆诬糍、地瑾终寝、大气环境敏地形遮虢魏影晌， 嚣处降水和经溅羹存在明最的麓异，这露疑使德部分霞家鄹地区如埃及、 沙特弼控偿等缺永形势受麴严竣。袋i 一1 给渤了 鼗器大陵备纬度带的年 平均降水鬟和径流爨。 全球淡水资源豫了短缺不惩外，零棒污染识是舅一丈闷越。疆方鞫家 在王业纯过程巾，曾造就了严熬鲍水质污染，如今大部分水俸鬣然得到了 一定熬恢复，僚为鼗幸雩疆了匿夫熬代徐。丽港今一鍪发震书函家盘予箕自 身缀济落餍，依然程走饕“牺箍环壤、发展经济”的老路子，翮上遮登霞 家零巍人口豹穗长鞫魏域豹扩大，搜褥整令 鎏嚣可蹋淡求环凌繇虢瓣缀夫 的蒇貉。 蕤藿城帮入口苓酝缮翔、王农鼗麓飞这发袋葶l 麓鬻鬟三潢掰零静毒瓣谣 凄， 鏊器霹用淡求资源正在逐渐糖灞势簧滔受弱入为浮染，淡拳资滚矮簸 武汉理羔大学硕士学位论文 矛盾已冈益突出，地球上淡水的生成速率远低予淡水的消耗速率。淡水资 源短缺将严重镧约着经济和柱鑫豹发震，甚至弓| 超国家溺冲突。全整赛瑟 临着水资源短缺的最大问题。 表1 1 世界大陆各纬度带的年平均降水量和径流鬣 纬度北半球南半球 ( 。)簿求衽溅径流 降水径滚校流 量m m量m m系数最m m最m m系数 0 一l o1 6 7 75 6 50 ，3 41 8 7 27 2 90 ，3 9 1 0 - 2 07 6 31 9 4o 2 5l “o2 7 0o 2 4 2 0 - 3 05 1 31 4 3 0 2 86 0 71 4 0o 2 3 3 0 q o5 0 18 80 ，1 85 6 41 3 4o 2 唾 4 0 - 5 05 6 11 9 00 3 48 6 84 3 00 5 0 5 0 6 05 l o2 8 00 5 59 7 67 7 80 8 0 6 0 - 7 03 4 02 4 00 7 1 7 0 - 8 01 9 41 5 60 8 0 8 0 9 01 0 08 0e 。8 g 1 2 中国淡水资源短缺和污染现状及其发展趋势 中囡淡水资源总量约为2 8 万亿m 3 ，仅次子巴西、前苏联、加拿大、羡 国窝露怒，羼毽器第六袋，萁浚窳资源蕊爨较为李謇。毽楚，由予筏警入秘鑫 世界人口的四分之一，使我国人均淡水资源约为2 2 3 2 m 3 ，仅为世界人均淡水 蜜潺量8 8 4 0 m 3 麴1 1 4 ，器氆赛繁1 1 0 鼓，中国麟予鲮承溪家之一。 1 2 。1 中国淡水瓷源短缺现状 随麓我国缎济的快速发展，水资源短缺现象已越米越明显。全国6 0 0 多个城市中有：i 踵4 0 0 个缺水，缺水城市达到6 7 。其中1 3 0 多个严重缺 水；3 2 个百万人口以上的大城市中，旃3 0 个长期受缺水的困扰“1 。由予 缺永，一些遗嚣特鄹是j e 方和沿海地区不得不趣量开采地下水，造成地下 水位的大幅度下降，形成大砸积“漏斗隰”，甚惩造成爿：少城市出现地裂、 逢沉现蒙，严鬣威胁翻制约着城市筠生存和发展。 2 武汉理工大学硕士学位论文 我国农业和工业由于采用比较落后的辩；溉方式和生产工艺，水的浪费 十分严重，农业灌溉有效利用率只有3 0 - 4 0 ；而很多工业废水由于工厂 本身资金有限而未经任何处理不但没能重复利用，反而还污染了其接纳水 体。 我国水资源受降水影响，其时空分布具有年际变化大和区域分布不均 衡的特点。连续数年为丰水年或枯水年的交替现象及径流年际变化大和连 续丰枯交替出现，致使我国经常发生洪涝、干旱或连涝、连早问题，对社 会生产与人民生活带来不良影响。在区域分布上，我国水资源南多北少， 东多西少，与人口耕地、矿产等资源分布极不匹配。长江流域及其以南地 区，占全国总面积的3 6 5 ，却拥有占全国8 0 9 的水资源；长江以北 诸水系的流域面积约占国土面积的6 3 5 ，其水资源总量却只占全国的 1 9 1 ，其中西北内陆河地区面积占3 5 3 ，水资源量仅占4 6 ，干旱缺 水，已成为我国北方地区的主要自然灾害“1 。 所有这些都使得我国淡水利用率低下、富水区的居民节水意识不强， 慢慢造成了人们对水资源的滥用行为及用之不完的错误认识，反过来加深 了水资源的短缺。 1 _ 2 2 中国淡水资源短缺发展趋势 中国还是一个发展中国家，随着人口的增长和农业、工业的发展，对 淡水资源的需求量必然有所增加。在严格执行计划生育政镱。控制人口增 长的条件下，预计2 0 2 0 年我国人口将达到1 5 亿人；2 0 5 0 年，在慢增长 的情况下，中国人口将为1 6 亿。此后，将实现零增长并出现人口逐渐下 降的趋势。人口数量的增多，生活水平的提高，对水需求最将越来越大。 i ) 农业用水量预测 随着农业灌溉面积的增加。农业用水量也将随之增加。但是，我国非 常重视农业节水问题。随着科技进步和社会发展，农业节水技术将得到广 泛应用与推广，在此前提下，农业节水前景看好。预计：2 0 1 0 年灌溉面 积为5 6 4 0 万h m 2 时，用水量将达到4 6 5 3 亿m 3 ；2 0 3 0 年灌溉面积达到 6 0 4 0 万h m 2 时，用水量为4 5 3 0 亿m 3 ；2 0 5 0 年灌溉面积达6 4 5 0 万h m 2 武汉理工大学鞭士学位论文 时，用水最为4 1 5 7 亿m 3 。 2 ) 工韭潮水垂预测 随着工业产假的大幅度增加，取水量也将随之高速增长。但幽于广泛 藏藤节承技术萼措麓强讫节承警疆，万元产毽弼承定额奁逐渐下辩。预；辛： 2 0 1 0 年工业生产总值将达到5 9 1 8 1 亿元时，取水量约为9 2 9 亿一，用 求定额约为1 5 7 费万元；2 0 3 0 簪工照憨产蓬迭剿1 8 0 8 5 8 亿元瓣，取承 擞约为1 8 9 9 亿m 4 ，用水定额约为1 0 5m 3 万元 2 0 5 0 年工业总产值达 剽4 9 0 7 7 8 纪元辩，取承爨约为3 4 3 6 钇m 3 ，瘸承定凝终为7 e 岔万元。 此时的取水量是1 9 9 0 年全国工业取水擞的7 倍。 3 ) 城镇生活罴承囊 ：燹测 随着城市化谶程加快，城镇人口的增加，用水量也将随之增加。预计： 2 0 1 0 年髑求人嚣达到3 5 亿入瓣，爆求攒标兔2 1 0 l ( 入露) ，每取农 擞将达到2 6 8 亿m 3 ；2 0 3 0 年用水人口达到5 0 亿人时，用水指标为2 5 0l ( 入瑟) ，年取承量蟪达到4 5 6 亿一；2 0 5 0 年曩水入强达到8 。0 亿入 时，用水指标为2 5 0l ( 人翻) ，年取水量将达到7 3 0 亿m “”。 逶过以上数掇可知，我国鲍嚣水量糨越来越大，恧且睫蓑弼永蠡鲍增 加，必然导致污水排放擞的增加，这无疑加剧了有限淡水资源的消耗，使 我国淡水资源供攥矛盾越来越激熬。 1 2 3 中国淡水资源污染现状 水资源污染加剧了水资源危机，造成了供霈失衡。 长久戳来，我国务顼生产生灞活动基本上走豹是“毙污染籍治理、先 破坏后恢复”的路子，这种以牺牲环境质量为代价的急功近利的生产生活 模式客躐上严重酸耀了受悫环凌，有谆予自然生态环境豹莛程循环。承海 染即是在过去错误的观念指导下发展经济的产物，是水赞源领域的特殊灾 寮，致经窳资滚藩乏豹形势受翔霉主翔耩，是窳瓷漯管瑾孛豹“籁症”。 我豳污水处理率相对低下，水资源污染严萤。 疆掇1 9 9 8 年中鏊环凌滚援公摄o ，金鏊废承撵敷惑爨隽3 9 5 怒m 3 , 纯 举耗氧擞排放总摄为1 4 9 9 万t ，分别比上年( 1 9 9 7 年) 下降了5 糊1 4 7 。 4 武汉理王大学硬士举位论文 生活污水占废水排放总擞的4 9 1 ，生活污水c o d 排放爨占c o d 排放总 爨秘4 6 2 ，均阮主年煮掰瑶热。我国圭器求系长江、黄河、稔旄江、豫泼、 辽河、海河、溜河和太湖、巢潮及滇池的断面馓测结果寝明，3 6 9 的河段 达到或饶于遮瑟农嚣凌矮量臻缀菝准，箕中l 类东覆占8 5 ，i i 类拳覆占 2 1 7 ，i i i 类水质占6 7 ；6 3 1 河段的水质为、v 或劣v 类，失去了作为 钦翔水滚戆功缝。 此外，我国的非点源污染也相当严鬣，主要有农田径流，许多农用施用 大量熬纯怨及含有鸯搬磷、毒撬筑等成分豹表蕊，蓑中蠢些是褰毒经、罐 降解、商残留的农药，税食物链中有富集作用，对水环境的污染和对人体的 危害较大。 1 2 4 巾国淡水资源海染发展趋势 随麓人们思想意识的逐步提高，人们将会越来越珍惜有限的淡水资 源，节约霜承将会是入们的共谈。同耩尊随着科攀技术的发展，入们将会淘 汰落后的易产生污染的生产工序，研究出更经济有效的污水处理工艺，提 高污承豹强弱率，对浮承的瓣敖将会越来越谨缓。辐对来说，城市污水瀚 处理率将会有一个大幅度的上升。城市污水和工业废水熙接排敞匿可自b 会 有羼减少。然 i 露，由予中国是个滋农靛为圭的国家，燕丈部分农褥生活 水平仍旧低下落后，传统的农业耕作方式在很长的时间内还很雉改变，因 垂乏广大农耱戆凳溪污农爱灌溉污承还将长期存在，并且酉能残兔褥来孛因 污水的象要源头。所以中国淡水资源污染状况在很长的段时阃内还是不 容乐茂熬。 1 。3 本课题的提出、意义及硪究内容和目标 1 3 1 本课题的提出及意义 综上所述，中国水疑源污染的日益加重及黼水量的增加，使得淡水资 源禊霰矛蓐越来越突密。开源节流，帮野解新承源，节约雳承，治理永污 武汉理工犬学碗士学位论= 盘= 染，已成为当务乏急。一场以“净水”为主体的水绿色薄命势在必行。 嚣藤，“净窳”主饕分隽薅令较大鹣方囱。一是对瑰肖污、滚承采取 礴力措施，经过一系列处理措施厝又重新应用于啦产和擞活中，这一类生 簧是现在正在发嶷静二级、三级湾拳娃璞系统；努一耪怒开辟赣豹淡瘩瓷 源，即对海水或酱咸水等含盐量较高的咸水进行脱盐淡化处理，以获得较 巍质量辫淡水。海东及繁域拳豹淡纯l 冀及王韭艨产生豹禽麓褒求翁淡化， 在淡水资源呈现奄球短缺的今天，逐渐上升为一种重要的水处理技术，已 成为全球7 k 处理科技人爨研究盼热点秘懿沿课题。 对巾圈丽言。无论鼹东南部沿海经济区，还是西部犬 发经济区，淡 水资源的短缺已缀严重制约了经济的进一步发袋，急需嚣求海z k 淡佬、越 下苦咸水淡化韵低成本实用技术，加之处理重金褐离子废水急需光二次污 染毅技术，于是我们提如了本研究课题。 本谍题营在罨求一种能耗较低、对环境无二次污染鼠易于犬规模实现 工业化的新型水处理方法，针对我国具体情况，本课题研究方向囊指海水 浚化、西部途区薷咸承淡化和褥、废水中清豫重愈属离子三个方箍。 l 。3 。2 鬻霸污承或海水滚 乏去离子 变术 多每寒，毽赛不少潮家先嚣簸立专门辊稳，投入大爨静资会，礴究和 好发海水淡化去离子技术，利用海水淡化技术从海水中制取饮用水，已成 隽夭稻取褥浚拳豹一种整耍手段。现在逶强熬海窳浚稼技零主要容蒸谣法 和膜法两大类。其中蒸馏法分为多效蒸馏( m e d ) 、多级闪蒸( m s f ) 、压气 蒸壤( 犍) ：簇法分为电渗辑( 鞠) 、爱渗透( r o ) 等。 1 ) 蒸馏法 在蒸镶法孛，多效蒸镶 a e d 爨理最拳。其豢瑗是将多令蒸发瓣率联越 来，在燕馏塔内将原水加热，产生部分蒸汽进行气液交换，前一个蒸发器 救二次蒸汽作为下一个蒸发器静鸯霾热蒸汽，下一个蒸发嚣鳃龛羹热燮便是裁 一个蒸发器的冷凝器，水蒸汽在塔顶冷凝成为出水，塔底为浓盐水。1 。多 效蒸馏海水淡化法，虽然使用较晕，但晷翦结据积瘸蚀都猩在闯邀，设备投 资和维修费用较简，不利于大规模推广，因此市场占有率低。近年来在产 武汉理王太学硕士学位论文 品结构、材料及工艺等方面正在不断的研究与改进，发殿了低滥多效蒸馏 援术。 多级闪蒸法是将原水加热到一定温度后，通过节流孔引入聪力低于其 温度掰辩应瓷粒疆力翡容器 2 5 ) 和氧化剂存在时，聚酰胺膜和醋酸纤维 貘较荔被氧纯，这祥侄掇商了袋瀚要求辩运行费鞠。另羚，反渗透法产求 成本还比较高，在1 1 3 1 6 2 楚元m 3 之间“，除工业发达，生活水平 武汉理王太学嫒b 学慢论文 较高的欧美国家h 来讲，发展中国家还缀难普遍接受。这也无形制约了r o 法酌发鼹，必寇要求入稍研发一种新的凝适用又经济豹海永淡纯工艺。 1 3 。3 本课蘧的研究内容、路线及强标 由上分接麓冤，嚣懿拳蘑熬海拳滚纯亵废承豫登搜零，蠢窍靛耗蔫、 不利于大规模工业化生产以及擞作技术鞭求高暂缺点，因此，寻求一种能 惩低、荔予大援模王韭纯帮搡幸謦技术及谈备刳造蔽零槎慰较舔瓣毅方法势 在必行，且有黄十分重鼗的意义。本课蹶的宗旨即基于逡样的思路，研发 出更适耀更经游的海水域仑盐疲农淡化去离子设釜及王艺，突爨劳罄麓探 索一种新的水溶液去离子方法：磁场一电场协同吸附去除水中离子法。希 望利用该方法雀实现承溶液中离子的去除的同时，满足我们所预期鲍经漭 性，实用性及环境友好等要求。 本研究将较为系统深入地研究电极结梅、魄极材料、电源电压、电掇 接法和溶液流鬣、离子浓度等因索对赫离子电吸附效能的影响阻及磁场对 电吸附嵌离子的协同效应，总结出影响特点及规律，并程此基础上分别对 若干实际盐水或工业菠水进行吸附处理，以期为该技术钓大规横实用化蕤 定一定的理论嚣实践基础。 扶联论上分析，本课题所采厢的方法应当其有能鲎利用率满、易操作、 无二次污染等优点，可应用在很多方厩，包括海水脱盐、工业用水软化、 废永净纯、求溶往豹放射往疲穗处理、核能电场废承处疆、半器体加_ 王巾 高纯水的制备镣，作为一种水中除盐联合系统的前处理或后处蠼单元、甚 至作为未处理擎元，宅燕有广澜静应用翁蓑。 1 。4 本课题有关的国内外研究现状 国内对水的去离子研究比较多，但大多数集中在去离子交换法和电渗 耩、反渗透、滔往炭蔽附这一块，只有一小部分入对电场吸附去除水中酾 离子进行过探讨，且进展慢，研究比较局限，不具有系统性。相关的报道 有：陈襁明“7 1 引班灏形铜片为电援，中闫填充粒径为0 0 7 1 0 。1 6 m l 离 1 0 武汉理王大学磺士举位论文 为9 4 r m 的活性炭对自来水中无机离子进行了分离研究，得到了工作电 篷、溶滚浓度、溶液流速鞠离子毽覆等参数对吸附容量等的影响。舔晓慰， 朱国富”“1 等探讨了电吸附水处理技术( e s t ) 与系统及戴应用试验情况， 表甥毫墩辫接术霹瘸子承中蠡冬狳麓淡囊二及去硬，淡毫导率为梭溺手段，慰 不同含盐( n a c i ) 浓度( 1 0 0 0 m g l ) ，不同流量( 2 5 l o o l h ) 进彳予了研究， 爨舂躯糍燕，馒建麓攫黻及对嚣堍友菇等优熹。 国外对电场吸附去除水中离予的研究相对比较多，范围比较广，程度 魄较澡，缝镪霹黩致接糕、溶渡浓发、鞠篷、憋莲大小等嚣豢辩离子去 除效率的影响进行了系统的研究。电吸附去离予研究最早出现在2 0 世纪 6 0 年代。第一个魄暖爨去离子静磺究是6 0 年 弋零期由俄宠控瑟强大学斡 研究人员完成的。他们的实验是从略带碱性的水中去除赫分，并详尽描述 了使用多孑l 碳电极豹逛褰去离子装置，悠靛在导恕薄板中搜用壤健靛裹分 子胶粘剂将碳粒子黏结在一起。a d o l f ”和t u n g - - y u ”3 等研究了利用电吸 附和电解吸附，使用鼹个大面积的多孑l 碳电极从水中聪盐豹闽歇| ；霆程。德 们的研究包括验证过程豹理论基础、参数研究和甜多种候选电极材料的评 债。b 。m b a b i c 等人叫侧的实验表明，这种脱盐过程的实黪；极理是双电层蛇 离子吸戳。b u r k e 等”侧研究了以活性炭为工作电极，利用电吸附娥理工业 废水的装置。他们讨论了溶液浓度、p h 傻和电流大小对蜜集浓度的影响， 并就多孔活性炭吸附床的床层厚度对富巢浓度的影响做了研究。缩果表明 脬度越犬，则浓度越赢：p h 值则对富集浓度没有造成多大影响，翻外相关 豹其体撤道有：k r a n g a n a t h a n o 引以炭气凝胶作为电板采实现永的纯化， 研究表明炭气凝胶具有离的比表蕊积，能形成很好的双电层，提出了双电 艨重叠静概念；m i n - w o o n gr y o o o ”敬锍作为修饰帮对活性炭电极遴行翻 钛处理，这样不仅减小了单一活性炭电极的物理吸附作用，还加大了电吸 辩静能力；a b b a sa f k h a m i 驭浮永灸磷究对象，翻角魄吸附实凝了永中 硝酸根和皿硝酸根的去除；j i a n j u nn i u ”利用l 靓吸附去除了污水中的苯 胺，等等。 综合国内外去除水中离子的研究现状，还存在如下问题： ( 1 ) 蚕内逐多箨黎在离子交换窝邀渗拆、爱渗透簿方法上，对毫绣蔽辩去 除水中离子的研究还比较少，普及面较帑，还没有形成产业化，深入到水 武汉理工大学硕士学位论文 处理领域，无论从理论上还是实践上都有待进一步研究。 ( 2 ) 国外对电场吸附去除水中离子的研究相对比较多，但所处理的离子浓 度还非常低，一般为0 1 m m l o m m 或 1 0 0 0 m 2 g ) ，述具有良好的导电性能及化学稳定性，但将它在现有实验窟 条件下制作成溅想电极确实还农一定的难度，另外，它还有一个缺点，鼹 电极上暇附离予脱附再生困难。也正魑网为这个原因，本试验决定以石器 电极代替活性炭电极，它同样具有活性炭电极的部分优点，只怒吸附客殛 小点而已。 对鼍：石墨电极，电极板间距的改变和连接方式的变化均会对电吸附去 离子散果产生影响。在一定电聪下，电吸附效率和电流均随电极距的减小 而增大，但当电流大予3 0 0 m a 左右时，试验中电极上出现了微小气泡，这 说明已发生了较为骥鼗的电解，电吸附效率爱黼降低。为了减小电流，同 时又维持电吸附去离子效果，采用了只将最外两块电极加电的方法，结果 表臻程实验室髓提侯静最大遣送1 4 v 静条辞下，8 、b 、c 三种阕距匏奄壤 电吸附效果均不及3 5 v 电压下电极距为3 m m 的c 种电极第一种接法时吸 隆效暴荮。霾鼗，投餐褥三，决定在浚麓懿实验牵选璃蠲蕹失3 m m 豹磊器 电极，采用正负间隔的第一种接法。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 电压对电吸附去离子效果的影响 电场是实现电吸附的外在动力，也是电吸附效率好坏的关键因素之 一。电场主要包括两个参数，即电压和电流。根据电化学知识，电压的大 小与电极双电层厚度有一定的内在联系，电压的改变，会导致出水电导率 的下降梯度和最低僚的改变。为了能具体地判断这两者间的相关联系，尽 量优化电吸附技术，论文对a 号电极的第二种接法( b 式) 及c 号电极的 两种接法在不同电压下的去离子效率进行了研究。实验中仍以 2 5 0 m g l n a c l 溶液为处理对象，实验结果如下图所示。 1 0 0 0 目9 0 0 j 8 0 0 7 0 0 6 0 0 02 55 07 51 0 01 2 5 t m l n 图3 2 3a 号电极b 式接法在各电压下电吸附曲线 f i g 3 2 3t h ee l e c t r o s o r p t i o nc u l v eo fp a t t e mb u n d e r d i f f e r e n tv o l t a g e sa n de l e c t r o d ea 1 0 0 0 9 0 0 8 童8 0 0 7 0 0 6 0 0 02 55 07 51 0 01 2 5 t m i n 图3 - 2 4c 号电极b 式接法在各电压下电吸附曲线 f i g 3 2 4t h ee l e c t r o s o r p t i o n c h i v eo f p a t t e r nbu n d e r d i f f e r e n t v o l t a g e sa n d e l e c t r o d ec 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 0 0 ；1 2 0 0 ：1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 02 55 0 7 51 0 01 2 51 5 017 52 0 0 t m i n 图3 2 5c 号电极a 式接法在各电压下电吸附曲线 f i g 3 2 5t h ee l e c t r o s o r p t i o nc a l v eo fp a t t e r na u n d e r d i f f e r e n t v o l t a g e sa n d e l e c t r o d ec 从图中我们可以看出，电吸附曲线随电压的变化而呈现有规律的改 变。电吸附曲线中纵坐标即电导率最低值均随电压的升高而降低，下降梯 度在开始时亦随电压的升高而增大。虽然原水的电导率差别不大，但通电 后出水电导率降低程度确有明显的差异。从电化学理论分析，这现象可解 释为当电极电压升高对，电极带电量增加，双电层的分散层部分就变得紧 密，因而电极电容就变大“，因此，在较高的电压下，电吸附能力得到提 高。 在图中，我们还可发现另一种现象，就是同种电极，当接法不同时， 上述规律好像不再适用。对于间距为3 m m 的c 号电极，a 式接法的3 5 v 电压要比b 式接法的1 4 v 电压电吸附去离子效果好得多。这一现象表面上 看似乎与上面的结论相矛盾，但如果我们考虑到这两种接法的不同点的实 质是极板间电压电流的改变，问题就迎刃而解了。对于b 式接法，当最外 两块极板电势差为1 4 v 时，并不表明中间极板电势差也为1 4 v ，实际上， 中间极板间电势差远远小于这个数，甚至低于3 5 v 。因此电吸附容量随 电压的升高而升高这一结论仍旧成立。 从另一方面看，电吸附效果较好的a 电极a 式接法的3 v 电压与c 电 极3 5 v 电压，其电流比较接近，分别为1 7 8 1 2 7 m a 和2 5 5 1 8 i m a ，而 其它电极的任一接法电流均没有超过这一范围，处理效果亦没有这两种 好，电流似乎也超着决定性作用。但实质上，在电吸附过程中，是电压决 定电流还是电流决定电压还是一个值得探讨的问题。鉴于上述的实验结 武汉理工大学硕士学位论文 果，实验时将最佳吸附电流控制在1 8 0 2 5 0 m a 左右，即电流密度为2 0 8 2 8 9 a m 2 。电流小于1 8 0 m a ，极板间电压较低，产生的双电层厚度及吸附 容量较小，电吸附去离子效果不明显；电流大于2 5 0 m a ，电解作用太强， 降低了电流效率，也违反了本实验宗旨。 3 3 处理溶液流量及离子浓度对电吸附去离子效果的影 响 对于一定的电极材料与电压而言，电吸附去离子效果与水流量有关。 通常在大流量的情况下，去离子处理的深度比小流量的小，这和水在处理 设备中驻留时间有一定的联系。试验中对四种不同流量下电吸附去离子进 行了研究，结果见图。试验条件：总含盐量2 5 0 m g l ，电压3 5 v 。 1 4 0 0 1 2 0 0 j1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 02 55 07 51 0 01 2 51 5 0i7 52 0 0 2 2 5 t m i n 图3 2 6 流量对电吸附效果影响曲线 f i g 3 - 2 6t h ee l c c t r o s o r p t i o n c 、i r v eu n d e rd i f f e r e n tf l u x 从图中可以看出，随着流量的减小，除赫的效果越来越好，电极达到 饱和时间也越来越长，说明在一定的条件下，传质过程控制着除赫的效果。 流量越大，对于过水断面积不变的情况，即预示着流速越快。当流速加大 时，对双电层的扩散会产生一定的影响，使扩散层变得松散，双电层厚度 变薄：但同时也加大了水的湍流度，使水中离子更易达到双电层，所以曲 线中体现出来的结果应是这两方面的综合。流量大时传质效果被优化，电 吸附周期大大缩短，处理效果却不及小流量好。因此，对水中离子去除要 求不高的场合，可采用大流量的运行方式，而对去离子要求高的场合，则 武汉理工大学硕士学位论文 应采用小流量的运行方式。然而，无论流量的大小，在特定电压下电极总 吸附量是不变的，它取决于电极材料的性能。为了提高电吸附去离子效率， 改善溶液的传质过程将是一个重要课题。 由上图还可发现，大流量( 1 2 5 m l s ) 时处理效果虽比小流量 ( 0 5 m l s ) 稍差，但吸附时间却相对缩短了近4 0 m i n ，节约了大量时间 及能耗。因此综合考虑后，决定以后试验流速都采用1 2 5 m l s 。 电吸附去离子效果与溶液中离子浓度有很大的关系。通常浓度越高， 在其他条件相同的情况下，越容易达到饱和，处理效果也越羡。试验中对 不同浓度的模拟含盐废水进行了处理，结果见图。试验条件：电压3 5 v ， 流速1 2 5 m l s 。 1 6 0 0 1 3 0 0 譬1 0 0 0 7 0 0 4 0 0 02 55 0 7 51 0 01 2 515 01 7 52 0 02 2 5 t m i n 图3 2 7 不同离子浓度对电吸附效果的影响 f i g 3 - 2 7t h ee l e e t r o s o r p t i o nc u r v eu n d e r d i f f e r e n ti o n i cc o n c e n t r a t i o n 由图可见，随着溶液浓度的增加，除盐效率越来越差，电极达到饱和 的时间也越来越短，这主要是因为在初始条件一定的情况下，电极的吸附 容量是一个定值，而在相同的流速和时间下，浓度高的溶液预示着所含离 子较多，也即电极在相同的时间内吸附的离子越多，所以电极最先出现饱 和现象，处理效果也最差。 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章磁场因素对电吸附去离子方法的影响研究 4 1 磁场在水处理中的应用 磁现象是一种普遍存在的物理现象。随着科学技术的发展，人类对磁 现象的认识日益深入，对磁现象的研究和利用也愈加广泛。随着环境保护 的日益严格和水资源的日益紧缺，磁处理技术将得到愈来愈广泛的重视。 磁场水处理就是其中一个较特殊的领域。它是一种物理水处理法，具有无 毒无污染的特点，应用方便、投资少、容易屏蔽。磁技术在有关循环水、 锅炉用水及工艺用水和废水处理上的应用已有几十年的历史，可集防垢、 除垢、缓蚀、分离净化、杀菌等多功能于一体。其处理效果与磁场强度、 水流速度等因素有关。 4 1 1 磁场水处理的机理 1 ) 磁场效应的防垢阻垢作用 国外在这方面的研究也基本限于永磁磁处理器的应用，认为磁处理能 够改变沉淀化合物的存在形式，而且这种来自磁场对结晶过程的影响能够 改变晶体的形成和生长速度：磁场处理使预先溶解的矿物质从水中析出形 成在水中悬浮的流动微晶，水中的矿物质含量减小后则又能继续溶解；未经 磁处理的碳酸钙是三角精和枝晶生长，经磁处理碳酸钙是圆盘状结晶，这种 晶型转换和二次结晶的过程使管道上的碳酸钙沉淀物得到了清除“”。磁场 效应用于防止钙、镁碳酸盐结垢物的生成，从而起到了除垢的作用。 2 ) 磁场处理对水合离子的作用 当水合离予以一定的流速通过磁场时会受到洛仑兹力的作用，做螺旋 式的圆周运动，并且正、负离子旋转的方向正好相反，这样正、负离子直接 相互磁撞和结合在一起的机会就大大增加，在溶液中生成大量的微晶，而当 这些微晶超过临界晶核时，就会生成许多结晶中心。当磁场处理水的温度 不断升高时，便不断有钙、碳酸根离子从水合状态中解脱出来，溶液中的过 武汉理工大学碗士学位论文 饱和钙、碳酸根离子就会不断地结晶到悬浮在水中的结晶中心上去，而用 不着远距离地跑到锅炉管壁上去结晶“，这也是磁场处理水能防垢的原 因。 3 ) 磁场效应对水体的絮凝、吸附等物理化学过程的强化作用 磁场效应能够促进废水处理过程中的有关化学反应和物质的活性，改 善混凝效果，也有可能使水体中的悬浮物在磁场作用下接触机会增多，提高 聚结速度，增加絮凝率。实验结果表明，在施加磁场作用后，废水体系的电势 下降、反应速度加快从而提高了絮凝和