近年來，電吸附或電容去離子(CDI)因其環(huán)境友好、能耗低、操作簡單等優(yōu)點被廣泛應用于海水淡化、苦咸水凈化等凈水領(lǐng)域。去離子方法引起了國內(nèi)外眾多學者的關(guān)注，包括碳納米管、碳氣凝膠、石墨烯等吸附材料的研究，新型反應器微生物燃料電池與CDI的結(jié)合，以及流動電極CDI的研究。

今天的城市污水處理應該朝著高效節(jié)能低碳、深度脫氮除磷(或回收)、資源再利用、易于控制管理等方向發(fā)展。城市污水處理廠二沉池出水經(jīng)過生化處理后，幾乎沒有可利用的碳源。根據(jù)NH4-N、NO3-N等污染指標。，出水可達到城市污水處理廠一級A標準(水溫低于12℃時為5mg/L或8mg/L)，目前國內(nèi)為/[/k2。電吸附可以去除水中的NH4-N、NO3-N等離子污染物，可以嘗試將CDI應用于污水處理。傳統(tǒng)的電吸附法是用DC穩(wěn)壓電源提供外加電場，用這種方法處理。

含鹽廢水濃度越高，效果越好，反應速度越快，能耗越低。但在處理低濃度廢水時，如某市污水處理廠出水氨氮20~30mg/L，去除率不高。理論上，廢水中作為溶劑的H2O分子是極性分子，其固有偶極距的排列方向是隨機的。但在外電場的作用下，偶極距會產(chǎn)生取向極化效應，使偶極距沿電場方向排列。當陰、陽離子在電場力的作用下向電極板遷移時，已經(jīng)定向排列的水分子的偶極距會被離子誘導，通過靜電作用與離子結(jié)合，使離子形成穩(wěn)定的水化層，從而增加遷移過程的阻力。脈沖開關(guān)電源產(chǎn)生的脈沖電流具有獨特的高頻開關(guān)特性，使通電時間短于水分子的極化時間，從而避免了水分子的偶極極化效應，削弱了離子化層的厚度，從而降低了遷移傳質(zhì)過程中的阻力。因此，在吸附低濃度離子時，脈沖開關(guān)電源應該比DC電源更有優(yōu)勢。

本研究采用脈沖開關(guān)電源代替DC穩(wěn)壓電源為電吸附裝置提供外加電場，制備活性炭電極，構(gòu)建CDI裝置。以NO3-N去除率為指標，考察了脈沖開關(guān)電源的占空比、頻率、電壓和電流對去除率的影響。

1.實驗材料和方法

1.1電極準備

將小塊金屬鈦板在1mol/L NaOH溶液中于90℃水浴中切割2h，去除表面油污，用去離子水沖洗表面殘留的堿液，然后在90℃水浴中沖洗2h，再用去離子水反復沖洗表面，測量沖洗水的pH值至中性，干燥后用砂紙打磨鈦板表面，得到鈦集電板備用，如圖1a所示。

將30g活性炭粉、粘結(jié)劑PVDF和導電石墨粉按8∶1∶1的比例溶于100mL二甲基乙酰胺中，在磁力攪拌器上攪拌12h。充分攪拌混合后，用涂布法將涂布漿料均勻涂布在處理過的鈦板上。將涂覆的鈦板放入45℃的真空爐中，在常壓下烘烤4h，然后在真空下烘烤4h，以確保除去殘留的二甲基乙酰胺。取出涂覆的鈦板并在室溫下冷卻以獲得涂覆的電極板。稱涂膜前后鈦板的質(zhì)量，差值為活性炭涂層的質(zhì)量，約為0.5g，如圖1b所示。

1.2脈沖電吸附實驗

如圖2所示，脈沖電吸附實驗裝置通過蠕動泵以一定速度循環(huán)水進出，將模擬廢水抽出儲槽，流入CDI模塊，再流回儲槽。當水循環(huán)開始計時，經(jīng)過規(guī)定的吸附時間后，關(guān)閉蠕動泵，打開CDI模塊底部的閥門，待廢水全部回流到儲水箱后，關(guān)閉脈沖電源，吸附階段完成。用蠕動泵將另一個儲水罐中的洗脫液泵入CDI模塊，采取一定的解吸模式(斷電、反接或短接)。電極吸附的離子脫落至洗脫液后，關(guān)閉蠕動泵，打開CDI模塊底部的閥門，洗脫液全部回流至儲水罐，完成解吸階段。吸附階段和解吸階段結(jié)合形成一個脈沖電吸附循環(huán)。本文中，每個脈沖電吸附實驗由3~5個循環(huán)組成。5在吸附階段，每隔5分鐘采集一次水樣進行水質(zhì)分析。在吸附階段，功率計用于監(jiān)測每個吸附階段的能耗，以計算脈沖電吸附的能耗和成本。在每個脈沖電吸附實驗中使用的涂層電極被重新配置以確保相同的初始條件。實驗所用的模擬廢水根據(jù)濃度要求自行配制。實際廢水樣本收集自沈陽的一家污水處理工廠。

2.結(jié)果和討論

2.1脈沖電源占空比對去除率的影響

控制正負極板之間的電壓為1.5V，以恒定的速度向CDI模塊進水，并將脈沖頻率固定在104Hz。比較不同占空比(20%、50%、80%)的電吸附去除率，ρNO-3隨時間的變化見圖3。

從圖3可以看出，在60min的吸附時間內(nèi)，處理初始濃度為40mg/L的NO3-N模擬廢水，占空比為20%、50%、80%的三組實驗對應的60min硝態(tài)氮濃度依次降至15.12、12.24、19.4mg/L，占空比過高或過低都不利于離子的去除。當頻率為104Hz時，每次實驗的周期相同，均為0.01s，在同一通電周期t內(nèi)，比較不同占空比和不同通電周期下的處理效率，當占空比為20%時，一個脈沖周期內(nèi)有20%的時間用于電吸附，其余80%的時間為斷電脫附。循環(huán)中通電持續(xù)時間僅為0.002s，通電期間on(通電周期)較短，變相減少了電場力的作用時間，循環(huán)中斷電時間過長，導致更多離子脫附回本體溶液中，影響處理效率。占空比提高到80%時，周期內(nèi)通電時間為0.008s，ton過長，接近傳統(tǒng)DC電源，不利于破壞定向極化效應。當占空比為50%時，在一個周期中，一半時間發(fā)生電吸附，并且離子向極板遷移。在另一半時間里，離子部分脫附，削弱了濃差極化效應，使下一個脈沖周期的電吸附更容易。此時去除率達到69.4%，效果較好。因此，合適的占空比也是提高去除率的關(guān)鍵因素。

2.2脈沖電源頻率對去除率的影響

控制正負板間電壓為1.5V，恒速向CDI模塊進水，占空比保持在50%，選擇不同的脈沖頻率(102，103，104，105 Hz)進行脈沖電吸附實驗，以NO3-N的瞬時質(zhì)量濃度與NO3-N的初始質(zhì)量濃度之比作為判據(jù)，比較不同頻率的實驗結(jié)果，如圖4所示。

從圖4可以看出，當吸附時間為30min時，頻率從102Hz上升到104Hz，去除率逐漸增加，NO3-N的去除率分別為30.5%、33.25%和50.45%，而當頻率達到105Hz時，去除率下降到18.5%。

在電場力的作用下，離子向不同符號的極板遷移，被吸附在雙電層中。隨著雙電層中離子濃度的增加，溶液中離子進入雙電層的阻力也越大，即濃差極化效應。單脈沖電流與DC電流的最大區(qū)別在于脈沖電流的斷續(xù)通斷特性。正是這種通-斷-通的單脈沖電流特性，使得吸附在雙電層中的離子在脈沖電流關(guān)斷時短暫地回到溶液中，削弱了溶液與雙電層之間的濃度差，降低了離子遷移的阻力。隨著頻率的增加，單脈沖周期縮短，強化了脈沖電流的性質(zhì)，因此吸附去除率隨著頻率的增加而增加。當頻率過高(105Hz)時，單脈沖周期過短，導致斷電期間雙電層中的離子還沒來得及脫附，下一次通電期間又來了，不利于削弱濃差極化效應。因此，104Hz是去除NO3-N的較佳脈沖電吸附頻率

2.3脈沖電吸附和DC吸附的比較

用去離子水、硝酸鉀和氯化銨制備初始硝酸鹽氮和氨氮濃度分別為40mg/L和25mg/L的模擬廢水。進行了兩組電吸附實驗。采用DC電源和脈沖電源以相同的速率和恒定的速度向CDI模塊供水，其中脈沖電源控制占空比為50%，頻率為104Hz。在兩種不同的電吸附模式下，硝酸鹽氮和氨氮濃度隨時間的變化如圖5所示。

從圖5可以看出，從吸附初期開始，脈沖電吸附的效果明顯好于直流電吸附，在吸附過程中的各個測量時間點，脈沖電吸附出水的硝酸鹽氮和氨氮濃度都低于直流電吸附。隨著電吸附的不斷進行，觀察到兩組實驗出水的硝態(tài)氮濃度差異越來越大，表明兩組電吸附效果差異越來越明顯。直到60min電吸附結(jié)束，DC吸附出水中硝酸鹽氮和氨氮的質(zhì)量濃度分別為24.6mg/L和20.3mg/L，去除率分別為38.5%和18.8%。而脈沖電吸附出水中硝酸鹽氮和氨氮的質(zhì)量濃度分別為15.12mg/L和5.7mg/L，去除率分別為62.2%和77.2%。出水硝酸鹽氮濃度已達到我國& # 171；地下水質(zhì)量標準& # 187；(GB/T 14848—93)出水氨氮濃度低于生活飲用水ⅲ類標準規(guī)定的20mg/L，達到國家一級A排放標準。從實驗結(jié)果可以看出，脈沖電吸附處理硝酸鹽氮和氨氮廢水時，去除率顯著提高。

2.4實際廢水處理

實際廢水取樣:取沈陽某污水處理廠二沉池出水。水質(zhì)分析結(jié)果:COD為167mg/L，NH3-N為31.45mg/L，TP為20.22mg/L，pH為6.89，SS為311mg/L，電導率為515μs/cm。取實際廢水樣品的1L，用脈沖電吸附法去除氮。工作條件為:占空比50%，頻率104Hz，恒流0.8A，結(jié)果如圖6所示。

與實驗室制備的模擬氨氮廢水相比，它只含有NH3離子，但實際廢水中的離子種類更多。從電導率從515μs/cm下降到108μs/cm可以看出，存在離子的競爭吸附。在與制備的模擬廢水相同的條件下，需要更多的吸附-解吸循環(huán)才能將氨氮降至8.23 mg/L

3.結(jié)論

1)在污水處理廠二級出水中，含有生物可利用碳源的廢水經(jīng)生化處理后幾乎不含NH4-N、NO3-N等污染物，脈沖電吸附法的處理效率高于直流吸附法。

2)脈沖電吸附優(yōu)于直流電吸附的原因在于脈沖電流的周期性通斷特性，可以有效降低水分子偶極矩的定向極化效應，從而弱化離子的水化層，降低電場作用下離子的遷移阻力。

3)與DC電流相比，單脈沖電流的周期性開關(guān)特性可以有效削弱濃差極化效應，降低離子遷移阻力，提高吸附速率。(來源:東北大學資源與土木工程學院)

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