孫曉慰，朱國富
（常州市水處理技術協會，江蘇 常州 213022）

　　摘要：利用帶電電極表面吸附水中離子或帶電粒子從而達到凈化水或使水脫鹽的目的。對電吸附技術的研究結果表明，該技術用于水的除鹽具有能耗低、使用簡便以及對環境友好等特點。
　　關鍵詞：給水處理；電吸附；脫鹽水；水質凈化
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1009-2455(2002)04-0018-03

Princple and Makeup of ElectroSorb Technology in Water Treatment
SUN Xiao-wei，ZHU Guo-fu
(ChangZhou Water Treatment Technology Association，Changzhou 213022，China)

　　Abstract：The surface of the charged electrode can absorb the ions or charged particles in water and then purifies water or removes minerals from water．The research shows that ElectroSorb technology is of low energy consumption and is environment friendly．
　　Key words：feed water treatment；ElectroSorb；demineralized water；water purification

　　電吸附水處理技術（EST）及EST模塊，不久前問諸于世。以EST模塊為核心組裝而成的處理系統可用于水的除鹽、去硬、淡化及飲用水深度處理、電鍍廢水處理等等。本文根據作者在EST技術研究開發及實際應用過程中所得結果，著重介紹EST技術的基本工作原理及有關EST模塊化設計及系統組合的實驗數據。

1 電吸附水處理原理

　　EST技術是利用帶電電極表面吸附水中離子或帶電粒子的現象，使水中溶解的鹽類及其它帶電物質在電極表面富集濃縮而實現水的凈化或淡化。圖1為電吸附水處理的原理示意圖。原水從一端進入由陰、陽電極形成的通道，最終從另一端流出。原水在陰、陽電極之間流動時受到電場作用，水中離子或帶電粒子將分別向帶相反電荷的電極遷移，被該電極吸附，儲存在電極表面所形成的雙電層中。隨著離子/帶電粒子在電極表面富集濃縮，使通道水中的溶解鹽類、膠體顆粒及其它帶電物質的濃度大大降低，從而實現了水的除鹽及凈化。

1.1 電極吸附量計算
　　根據雙電層理論，電極表面的離子吸附量與體相濃度及表面電位之間有如下關系：

　　
　　式中：q－表面電荷數；
　　　　　ε－水在電極表面的介電常數；
　　　　　C－水中離子濃度；
　　　　　z－離子電價數；
　　　　　F－法拉第常數；
　　　　　φ－電極表面電位；
　　　　　R－通用氣體常數；
　　　　　T－熱力學溫度；
　　　　　n－實驗所得常數。
　　從上式可以看出，當電極表面電位達到一定值時，雙電層離子濃度可達溶液體相濃度的成百上千倍。
1.2 EST電極的吸附
　　當含有一定量鹽類的原水經過由高功能電極材料組成的EST模塊時，離子在直流電場的作用下被儲存在電極表面的雙電層中，直至電極達到飽和。此時，將直流電源去掉，并將正負電極短接，由于直流電場的消失，儲存在雙電層中的離子又重新回到通道中，隨水流排出，電極也由此得到再生。
　　EST模塊處理效果的好壞主要取決于電極的吸附性能。通常，對材料吸附能力的描述是通過獲得吸附等溫線來進行的，而對電吸附來說，除了要考慮到溫度的影響外，還必須考慮電極電勢的影響。因此，本技術的研究是從通過測定等溫等電勢線，了解掌握電極材料的電吸附性能著手。
　　圖2示出電極材料對氯化鈉的吸附等溫等電勢線。實驗條件為溫度25℃，電極電壓1V。通過對曲線的回歸計算；得出吸附量與平衡濃度的關系，如下式所示，吸附量與平衡濃度呈平方根關系，符合上述雙層理論計算式的預測。
　　m_ad=0.6·C^0.50
　　式中：m_ad－每克電極材料的吸附量，mg/g；
　　　　　　C－氯化鈉溶液的平衡濃度，mg/L。

2 EST模塊設計

2.1 EST模塊
　　用高效功能性電極材料，依據水力學、電化學、機械學、電子控制學理論設計加工成電吸附水處理設備的組合單元件——EST模塊，這是使這一技術走向產業化的關鍵。模塊可由左右端極、陰陽電極接頭、高效功能性材料陰極板和陽極板、隔離密封墊、壓緊螺栓螺母、支承架等組成，陰、陽電極板和隔離密封墊之間形成水流通道，同時設置了進出水管路。EST模塊及其結構示意見圖3。

　　端極和支承架是固定電極板和承受水流壓力、自重的零件，必須是絕緣性好，有較高機械強度的材料。進出水管道及閥門在設置時，也應充分顧及水流暢通及控制調節方便等因素。
2.2 EST模塊工作過程
　　原水從EST模塊的進水端導入，經過陽極板－隔框－陰極板，陰極板－隔框－陽極板……多對電極與隔框組成的水流通道，最后從出水端排出，其工作過程如圖4曲線所示。運行時，進出水閥門開啟，直流電源接通，即可以產生電導率大大低于原水的除鹽水。試驗表明，當進水含鹽量在1000mg/L以下時，經EST模塊處理后出水電導率低于30～50μs/cm。隨著運行時間的延長，一般在5～6h后，電極表面吸附量趨于飽和。此時出水電導將升高，系統將進入再生階段。再生時，出水閥門關閉，排污閥開啟，同時直流電源斷開，EST模塊陰陽兩極短接，則工作過程中富集在電極表面的離子就會從電極表面解析下來，隨水流經排污閥沖走，再生排水的電導瞬時高峰值，是原水電導值的5～10倍，甚至更高。再生時間一般為運行時間的1/4～1/6，因為離子需要有一個擴散穿越電極材料的過程。當再生排水電導與原水電導相當時，則可認為再生結束，系統進入第二個運行周期。

2.3 EST模塊的并聯與串聯
　　針對各特定的應用場合可根據需要將模塊作任意組合以實現處理目標，當需要處理水量大時，或需要連續供水時，則必須采用兩個或以上的工作模塊并聯運行工作方式，一個模塊在再生，另外的模塊在工作，這種模塊化并聯運行設計組成的設備就可以不間斷地供水和成倍的增加處理量。運行試驗表明EST模塊并聯運行時處理水量可成倍地增加，單位出水的耗電量保持不變。
　　而當處理水中含鹽量雜質較多，而要求出水的純凈程度又較高時，單級EST模塊處理往往難以保證其可靠性和經濟性，如處理海水、地下苦咸水獲取高純水，此時就必須采用多級EST模塊串聯運行的方式。試驗表明上ST模塊串聯運行處理水單級單位耗電量幾乎不變，而處理深度將會隨串聯節數遞增。

3 電吸附水處理技術的特性

3.1 運行能耗低，水利用率高
　　EST技術的能耗很低，其主要的能量消耗在于使離子發生遷移，而在電極上并沒有明顯的化學反應發生，如有必要還可以將所用的能量回收一部分過來，即將吸附飽和的模塊上儲存的電能再加到另一再生好的模塊上，也即所謂的“秋千式”供電方式。這與其它除鹽技術相比可以大大地節約能源。一個實驗模塊以50t/h流量、85％除鹽率處理TDS為1000mg/L的原水時，能耗僅約為60W。其根本原因在于EST技術凈化/淡化水的原理是有區別性地將水中離子提取分離出來，而不是把水分子從待處理的原水中分離出來。
3.2 水利用率高
　　EST技術可以大大提高水的利用率，一般情況下水的利用率可以達到75％以上；如采用適當的工藝組合，甚至可達90％以上。
3.3 無二次污染
　　EST技術不需任何化學藥劑來進行水的處理，從而避免了二次污染問題。EST系統所排放的濃水系來自于原水，系統本身不產生新的排放物。與離子交換技術相比，省去了濃酸、濃堿的運輸、貯存、操作上的麻煩，而且不向外界排放酸堿中和液。
3.4 操作及維護簡便
　　由于EST系統不采用膜類元件，因此對原水預處理的要求不高，而且即使在預處理上出一些問題也不會對系統造成不可修復的損壞。鐵、錳、余氯、有機物、鈣、鎂、pH值等對系統幾乎沒有什么影響。在停機期間也無需對核心部件作特別保養。系統采用計算機控制，自動化程度高，對操作者的技術要求較低。從理論上講，EST模塊可以長期服役，預期壽命至少在20a以上。

4 結語

　　EST技術及系統不僅可以被應用在飲用水的處理上，還可以在電子電力、化工制藥、輕紡造紙等工業的工藝用水及鍋爐補給水處理以及環保廢水、污水處理等領域得到應用。苦咸水淡化乃至海水淡化將是EST技術的一個更加誘人的應用領域。

作者簡介：
孫曉慰（1963～），男，江蘇丹陽人，1998年畢業于美國安理工大學冶金與材料工程系，獲博士學位，現任常州愛思特凈化設備有限公司董事長兼總經理、常州市水處理協會會長，電話(0519)5105389，xiaowsun@pub.cz.jsinfo．net；
朱國富（1944～），男，江蘇常州人，高級工程師，現任常州市水處理技術協會秘書長，電話(0519)5119827，defengcz@on99.com。