李翱，王宏洋，孫宇巍，王旭，汪霞，朱光燦

（1 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096；2 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；3 北京市密云區(qū)生態(tài)環(huán)境局，北京 101500）

氮肥的過(guò)量使用和浪費(fèi)是當(dāng)前環(huán)境可持續(xù)發(fā)展遭遇的一大難關(guān)，為了解決這一問(wèn)題，氮的回收和資源化利用成為近年來(lái)人們?nèi)找骊P(guān)注的重要課題。電容去離子（capacitive deionization，CDI）是指在電壓作用下，待處理溶液中流經(jīng)CDI脫鹽室時(shí)，當(dāng)中的離子定向遷移吸附至電極表面的雙電層中，從而去除溶液中離子的技術(shù)。而流動(dòng)電極電容去離子（flow electrode capacitive deionization，F(xiàn)CDI）則是在CDI 的基礎(chǔ)上，在脫鹽室與電極室之間加入了隔絕同離子效應(yīng)的離子交換膜，并將之前的固定電極替換為流動(dòng)電極以提升電極更新效率的新型技術(shù)。不同于電滲析，F(xiàn)CDI工藝可以在較低的電壓下進(jìn)行，且不發(fā)生副反應(yīng)或副反應(yīng)較少，較低的能耗和清潔高效的運(yùn)行過(guò)程使得其可以用于海水脫鹽、微污染物回收等領(lǐng)域，此外還可以用于廢水中的氨氮去除回收。

由于電極對(duì)進(jìn)水溶液中NH吸附的選擇性高于其他陽(yáng)離子，F(xiàn)CDI 工藝對(duì)NH具有較高的吸附速率和較低的吸附能耗。FCDI工藝去除氨氮的性能主要受進(jìn)水流量、電流密度和電極液中活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)等操作條件和膜性能、流道構(gòu)型等裝置構(gòu)型的影響，F(xiàn)CDI 裝置去除NH的性能可以用電極對(duì)NH的選擇性（分離系數(shù)）和平均鹽吸附速率（ASAR）衡量。分離系數(shù)是指目標(biāo)離子與競(jìng)爭(zhēng)離子吸附效率的比值，其中包含了對(duì)目標(biāo)離子去除效率和去除單位質(zhì)量目標(biāo)離子所需能耗兩個(gè)指標(biāo)的影響，在離子總吸附量不變的情況下，分離系數(shù)的提升既增大了目標(biāo)離子的去除效率，又降低了去除單位質(zhì)量目標(biāo)離子所需能耗。ASAR是指單位面積電極吸附離子的速率，是離子去除效率的補(bǔ)充，引入了時(shí)間參量后可以對(duì)裝置連續(xù)運(yùn)行情況下的離子去除性能進(jìn)行評(píng)估，兩指標(biāo)相結(jié)合可以更好地從微觀角度說(shuō)明裝置的離子去除能力以及能源消耗。由于工況優(yōu)化和裝置優(yōu)化需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，單純的實(shí)驗(yàn)分析成本較高，所以本研究采取實(shí)驗(yàn)和模型相結(jié)合的方式對(duì)提升FCDI 去除NH+的性能進(jìn)行研究。

本研究構(gòu)建并驗(yàn)證了FCDI 裝置去除NH+的電化學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究不同操作條件對(duì)FCDI 裝置去除NH的選擇性和吸附去除速率的影響，提出工況優(yōu)化建議，并研究電極對(duì)NH+選擇性和吸附去除速率隨裝置內(nèi)部相對(duì)位置改變的變化趨勢(shì)，進(jìn)而提出裝置改進(jìn)建議。

1 模型構(gòu)建

Biesheuvel 等研究者已經(jīng)建立了FCDI 去除NaCl 的電化學(xué)模型，基于改良Donnan 模型、Nernst-Plank 方程和Sherwood 相關(guān)結(jié)合電勢(shì)平衡與質(zhì)量平衡建立模型，可描述FCDI 工藝流程中離子傳輸、電勢(shì)及電流密度之間關(guān)系。而Wang 等則在Biesheuvel 等建立的模型基礎(chǔ)上，引入了電極液電導(dǎo)的新型計(jì)算公式，并優(yōu)化了Stern 電容的計(jì)算公式，提升了模型的準(zhǔn)確性。然而現(xiàn)有FCDI 相關(guān)的模型并未討論多種同價(jià)態(tài)離子共存情況下的選擇性吸附過(guò)程及pH 變化對(duì)離子去除的影響。為解決上述問(wèn)題，本研究引入多離子競(jìng)爭(zhēng)吸附和pH 的影響，構(gòu)建了一個(gè)新的FCDI 除氨電化學(xué)穩(wěn)態(tài)模型，詮釋了NH+在裝置中遷移的電化學(xué)行為，用于闡明機(jī)理，優(yōu)化操作參數(shù)和工藝。

從幾何層面上來(lái)看，模型屬于一維模型，由邊界、兩條電極液流道、陰陽(yáng)離子交換膜、一條脫鹽室流道和兩個(gè)邊界層等區(qū)域組成，如圖1所示。模型以進(jìn)水方向?yàn)檩S，垂直進(jìn)水方向?yàn)檩S，沿軸均勻地劃分為個(gè)微元，每個(gè)微元兩端的總電壓相等，微元視作一個(gè)無(wú)窮小的FCDI單元，其中軸上的各項(xiàng)參數(shù)相等。由于模型是一維的，所以除邊界層外各個(gè)區(qū)域內(nèi)軸上的各項(xiàng)參數(shù)相等，而邊界層處由于膜兩側(cè)的Donnan平衡，其濃度隨著軸線性改變。前一微元的出水等于后一微元的進(jìn)水，由此可以建立起微元間的物質(zhì)傳遞方程。電中性條件是模型成立的另一約束條件，即除了電極微孔區(qū)域外，其他區(qū)域均是電荷平衡的。模型的核心條件在于電勢(shì)平衡，由于各個(gè)微元兩側(cè)的總電壓均相等，由電勢(shì)平衡可以建立起各微元各區(qū)域電勢(shì)、濃度和離子通量之間的方程組，再結(jié)合上文提到的模型微元之間的物質(zhì)傳遞方程，聯(lián)立便組成了有限元性質(zhì)的FCDI除氨電化學(xué)穩(wěn)態(tài)模型。

圖1 模型構(gòu)型圖

電極區(qū)域的電勢(shì)主要由Stern 電勢(shì)、Donnan 電勢(shì)和電極液的歐姆損失電勢(shì)組成，其中Stern 電勢(shì)由電容定義式計(jì)算，Donnan 電勢(shì)則根據(jù)改良Donnan 模型類(lèi)比Boltzmann 分布進(jìn)行計(jì)算，并依據(jù)Biesheuvel等提出的MCDI多離子競(jìng)爭(zhēng)吸附方程引入微孔對(duì)特定離子的吸附能力系數(shù)，對(duì)不同離子的Donnan 電勢(shì)計(jì)算作出了區(qū)分。電極液的歐姆損失電勢(shì)則使用科爾勞施定律結(jié)合Wang 等提出的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。此外，由于部分高電勢(shì)情況下會(huì)存在法拉第反應(yīng)，因而使用Butter-Volmer 方程進(jìn)行法拉第電流密度的計(jì)算。

離子傳輸主要發(fā)生在膜和電極區(qū)域之間的邊界層，其厚度可以根據(jù)舍伍德相關(guān)性由流量和流道的幾何特征計(jì)算得到。在去除過(guò)程的前期，脫鹽室流道中離子濃度較高，離子傳輸主要由電遷移和離子擴(kuò)散控制，此時(shí)可以使用Nernst-Plank 方程進(jìn)行濃度、電勢(shì)和離子通量的計(jì)算。在去除過(guò)程末期，流道中離子濃度低到一定程度時(shí)，離子通量則需要使用質(zhì)量平衡進(jìn)行計(jì)算。邊界層中的離子傳輸同樣存在歐姆電勢(shì)損失，采用科爾勞施定律進(jìn)行計(jì)算。

脫鹽室和膜區(qū)域的電勢(shì)主要是由歐姆損失電勢(shì)組成，此外，在脫鹽室中，陰陽(yáng)離子通量大小相等，方向相反。數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)如圖2所示。FCDI除氨過(guò)程中涉及的陰陽(yáng)離子對(duì)包括Na和Cl、H和OH以及NH和Cl，不同離子對(duì)的傳輸可以視作并聯(lián)電路，如圖3所示。圖3簡(jiǎn)略描述了FCDI除氨過(guò)程中各部分電勢(shì)分布的等效電路，由于陰陽(yáng)離子對(duì)傳輸途徑對(duì)稱(chēng)，所以可以使用半電路來(lái)表示傳輸路徑（需要注意的是，圖中電阻部件只為示意性地表達(dá)電能在此處消耗，并不一定代表電能在此處轉(zhuǎn)化為內(nèi)能）。由圖可知，多離子競(jìng)爭(zhēng)吸附主要對(duì)離子傳輸?shù)膬蓚€(gè)部分造成影響：一是在代表電極表面雙電層的電容器處，由于所有并聯(lián)電路在此匯集，這代表所有離子共享雙電層的電荷容量，離子吸附呈現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)；二則是由于并聯(lián)電路的分流作用，在電流密度恒定的情況下，不同離子通路的電流之間呈競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。由此，便完成了理論和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，模型代碼則是通過(guò)MATLAB實(shí)現(xiàn)。

圖2 數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 FCDI除氨過(guò)程中各部分電勢(shì)分布的等效電路示意圖

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

FCDI 裝置與之前研究中使用的相同，由起固定作用的有機(jī)玻璃板、刻有S形電極液流道的石墨電極板、陰陽(yáng)離子交換膜（CEM-DF-120,AEMDF-120，山東天維膜技術(shù)有限公司）和放置在脫鹽室中防止短流的格柵組成，如圖4所示。電極板上的流道尺寸為572mm×2mm×2mm，與膜的有效接觸面積為11.9cm。

圖4 裝置結(jié)構(gòu)示意圖

FCDI 裝置運(yùn)行模式為單獨(dú)閉合循環(huán)（isolated closed cycle，ICC），裝 置 進(jìn) 水 由1g/L NaCl 和76.43mg/L NHCl（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑）配制而成，由蠕動(dòng)泵（L100-1S-2，蘭格恒流泵有限公司）以單通模式泵入脫鹽室流道。電導(dǎo)率、pH 及NH+濃度使用多參數(shù)測(cè)試儀（S470, Mettler Toledo，Switzerland）在線監(jiān)測(cè)。裝置兩端的電壓由電化學(xué)工作站（CHI 600E，上海辰華儀器有限公司）提供，并進(jìn)行電流監(jiān)測(cè)。電極液由活性炭（AC,YEC-200D，益環(huán)碳素）與1g/L的NaCl溶液均勻攪拌得到，總體積為160mL，以50mL/min 的流量在電極板流道中循環(huán)流動(dòng)。

選取流量、電流密度和電極液中活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)三個(gè)因素采用控制變量法進(jìn)行研究，工況設(shè)置如表1所示，每組工況實(shí)驗(yàn)均在相同環(huán)境條件下重復(fù)三次以提升數(shù)據(jù)有效性。

表1 實(shí)驗(yàn)工況表

特定離子a的去除效率按式(1)計(jì)算。

式中，為a 離子在裝置進(jìn)水處的濃度，mol/L；為a離子在裝置出水處的濃度，mol/L。離子的選擇性由分離系數(shù)進(jìn)行表征，它表示電極對(duì)某一離子a 相較于另一離子b 的相對(duì)選擇性，按式(2)計(jì)算。

離子的去除速率由平均鹽吸附率（ASRR）進(jìn)行表征，使用式(3)計(jì)算。

式中，為進(jìn)水的體積，m；Δ為進(jìn)水至出水這一流程所需時(shí)間，s；Δ為鹽水與電極的接觸面積，m。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗(yàn)證

圖5 FCDI裝置對(duì)Na+和NH+4的去除效率隨操作條件的變化趨勢(shì)圖

圖5(a)為離子去除效率隨進(jìn)水流量的變化趨勢(shì)，可以看到去除效率隨著流量的減小而增大，在0.84mL/min 處出現(xiàn)曲線拐點(diǎn)，之后隨著流量的減小去除效率基本不變。流量的減小意味著停留時(shí)間的增大，從而提升了電極吸附的時(shí)間，去除效率增大。去除效率最大值接近99%，這證明了FCDI 除氨的有效性。離子的去除效率隨著電流密度的增大接近線性增加，如圖5(b)所示。電流密度的大小決定了同一時(shí)間內(nèi)離子傳遞量的大小，這同樣也是電極吸附去除量的大小，進(jìn)而影響到離子去除效率。然而過(guò)大的電流密度也會(huì)造成電極對(duì)NH+選擇性的降低，減小電荷效率，進(jìn)而造成不必要的能耗損失，因此需要平衡去除效率和能耗，同時(shí)也是離子去除速率和離子選擇性之間的關(guān)系。圖5(c)反映了離子去除效率隨電極液中活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的趨勢(shì)，去除效率隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大逐漸增大，在6%處出現(xiàn)拐點(diǎn)，之后基本保持平穩(wěn)的態(tài)勢(shì)。由于電流密度不變，在拐點(diǎn)前，去除效率主要受到活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，過(guò)低的活性炭含量難以滿(mǎn)足離子傳輸?shù)男枨?，限制了電極吸附量的大小。拐點(diǎn)后，電流密度成為限制電極吸附量的因素，由于離子傳輸量被電流密度限定，所以活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)在達(dá)到某一程度后，基本不再對(duì)離子傳輸產(chǎn)生影響。

3.2 操作條件對(duì)FCDI去除NH+4綜合性能的影響

選取0.5～3.3mL/min 范圍內(nèi)的進(jìn)水流量為模型自變量，研究其對(duì)FCDI 工藝流程中的NH吸附速率和分離系數(shù)的影響，如圖6 所示。Ragone 圖中，軸為分離系數(shù)，軸為ASRR，象限的右上區(qū)域兩者可以取到最大值，因而可以作為工藝參數(shù)選擇的最適區(qū)間。Ragone圖主要起到定性分析變化趨勢(shì)的作用，初步篩選工藝參數(shù)，其定量確定還需結(jié)合去除效率曲線進(jìn)行分析。在本研究中，以除氨效率74.5%為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合Ragone 圖和去除效率曲線確定工藝參數(shù)。

圖6 流量（0.5～3.3mL/min）對(duì)FCDI裝置除氨性能影響的Ragone圖

如圖6 所示，可以看到和ASRR 在進(jìn)水流量影響下呈正相關(guān)，隨著流量的增大逐漸增大，在流量最大值處達(dá)到最理想的去除情況。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，除了滿(mǎn)足去除速率和分離系數(shù)的平衡之外，還要考慮到出水水質(zhì)的要求，由3.1 節(jié)可知隨著流量的增大去除效率逐漸下降，過(guò)低的效率將導(dǎo)致出水水質(zhì)難以滿(mǎn)足要求，因此進(jìn)水流量的選取應(yīng)綜合圖5(a)和圖6來(lái)決定。

+的去除效率為74.5%，同時(shí)裝置的ASRR 和處在較高且相對(duì)平衡的狀態(tài)。

電流密度對(duì)FCDI 裝置除氨性能的影響主要是通過(guò)影響電壓和單位時(shí)間內(nèi)離子傳輸量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖7所示，可以看到隨著電流密度的增大，分離系數(shù)逐漸減小，ASRR 則逐漸增大，分離系數(shù)和ASRR呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)電壓增大時(shí)，對(duì)高遷移率的離子驅(qū)動(dòng)力增加，此時(shí)電極對(duì)離子的選擇性吸附力會(huì)遭到相對(duì)的削弱，進(jìn)而導(dǎo)致分離系數(shù)隨電流密度的增加而減小。同時(shí)，電壓增大導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)離子遷移量的上升，從而提升了平均鹽吸附速率。呈負(fù)相關(guān)的兩個(gè)參數(shù)變化曲線對(duì)選取最適參數(shù)更為有利，結(jié)合圖5(b)本研究選擇最適電流密度為21.26A/m，此時(shí)ASRR和達(dá)到相對(duì)平衡。

圖7 電流密度（8.4～33.6A/m2）對(duì)FCDI裝置除氨性能影響的Ragone圖

圖8 中電極液中活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)ASRR 和的影響如圖5(c)一樣，分為兩個(gè)階段。在低活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，電壓主要受到脫鹽室中的離子濃度和電極總電荷容量的影響，因?yàn)榇藭r(shí)電極總電荷容量較小，離子傳輸量受到很大限制，為了保證恒電流密度，需要在裝置兩端施加較高的電壓，屬于電壓畸變區(qū)域。當(dāng)活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升時(shí)，電極總電荷容量上升，離子傳輸量增大，由于在高電流狀態(tài)下，脫鹽室中溶液離子濃度下降趨勢(shì)較快，脫鹽室溶液電阻的上升造成了電壓的上升，高電壓對(duì)離子的靜電力增大，進(jìn)而導(dǎo)致分離系數(shù)的下降，但同時(shí)遷移速率上升，ASRR增大。在活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到一定程度后，電流密度取代活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)成為制約離子吸附速率的因素，如圖所示進(jìn)入了平緩區(qū)域，此時(shí)由于其他參數(shù)不變，電壓不變，ASRR和基本不再發(fā)生變化。對(duì)于最適活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)的選擇，同樣遵循之前的方法，選取10%的電極液活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為后續(xù)分析中的最適參數(shù)。此時(shí)，進(jìn)水流量為1.25mL/min，電流密度為21.26A/m，活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，由模型計(jì)算可得除氨效率為74.5%，能耗為29.62kWh/kg N，達(dá)到較為理想的狀態(tài)。

圖8 電極液中活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)（4%～16%）對(duì)FCDI裝置除氨性能影響的Ragone圖

3.3 裝置內(nèi)部相對(duì)位置(y 軸坐標(biāo))對(duì)FCDI 去除綜合性能的影響

在前面的研究中使用歐拉法探討了操作參數(shù)在宏觀上對(duì)裝置除氨性能的影響，但對(duì)于裝置內(nèi)部的微觀情況研究則有所欠缺，因而在這個(gè)部分，使用拉格朗日法追蹤某一流體微元在進(jìn)水流量1.25mL/min、電流密度21.26A/m以及活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的操作條件下，其離子遷移的電化學(xué)行為隨流動(dòng)時(shí)間的變化趨勢(shì)，如圖9所示，可以看到隨著流動(dòng)時(shí)間的增大，脫鹽室內(nèi)流體單元的NH濃度逐漸降低，電流密度也隨之降低，濃度和電流密度隨流動(dòng)時(shí)間的變化呈正相關(guān)。在整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中，單元的流速不發(fā)生變化，活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)也是恒定的，所以制約離子遷移的因素主要是其自身的濃度變化，當(dāng)濃度降低時(shí)，由離子擴(kuò)散和電遷移引起的離子遷移量也相應(yīng)降低，作為其量化指標(biāo)的電流密度也隨之降低。換個(gè)角度來(lái)說(shuō)，該圖也可以視作FCDI 裝置在恒電壓，恒進(jìn)水流速和恒活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，不同進(jìn)水離子濃度對(duì)其性能的影響。顯然，對(duì)于不同的進(jìn)水濃度，采用與之相對(duì)應(yīng)的最適操作條件可以獲得更高的除氨性能。為了更加直觀地理解這一概念，本研究將FCDI 模型微元視作一個(gè)個(gè)獨(dú)立的小FCDI 裝置，由于流速不隨流動(dòng)時(shí)間發(fā)生變化，且流速不隨流動(dòng)區(qū)域發(fā)生變化，是均勻恒定流，所以可以將拉格朗日法的流動(dòng)單元等效為歐拉法的固定單元，將自變量由時(shí)間轉(zhuǎn)化為位移，并將因變量從單元離子遷移狀態(tài)轉(zhuǎn)化為小裝置的除氨性能指標(biāo)，對(duì)裝置內(nèi)部除氨機(jī)理做進(jìn)一步的研究。

圖9 進(jìn)水處流體單元的離子遷移狀態(tài)隨其在流道中的流動(dòng)時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖10 反映了裝置微元的除氨性能隨裝置內(nèi)部相對(duì)位置（軸坐標(biāo)）變化的趨勢(shì)，可以看到隨著相對(duì)位置的增大，分離系數(shù)逐漸增大，而平均鹽吸附速率則隨著相對(duì)位置的增大而減小。隨著微元位置向出水口移動(dòng)，脫鹽室中離子濃度逐漸降低，在低鹽濃度下，離子擴(kuò)散速率下降，同時(shí)電遷移速率由于溶液電導(dǎo)率的下降而降低，在驅(qū)動(dòng)力不足的情況下，電極對(duì)離子的固有選擇性起主要作用，對(duì)NH的選擇性增大，增加，同時(shí)電極單位時(shí)間內(nèi)的離子吸附量也隨之下降，ASRR降低，和ASRR呈負(fù)相關(guān)。

圖10 模型微元中電極對(duì)離子的吸附速率和選擇性隨裝置內(nèi)部相對(duì)位置變化的Ragone圖

Ragone 圖反映的是參數(shù)之間的定性比較關(guān)系，想要定量地選擇最適參數(shù)，還需要根據(jù)實(shí)際需求指定和ASRR 的平衡關(guān)系。在此處，本研究選定局部電流密度等于平均電流密度，即局部電流密度為21.26A/m的裝置微元，作為最適的平衡位置點(diǎn)，其他位置想要達(dá)到最適平衡則需要對(duì)操作條件作出變更，即使用不同操作條件的FCDI 裝置串聯(lián)來(lái)達(dá)到最優(yōu)的除氨性能?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)條件，流量和電極液中活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)不作改變，僅變更電流密度是較為合理的優(yōu)化措施。事實(shí)上，由圖9 可知，同一電流密度在坐標(biāo)軸上有且僅有一個(gè)和ASRR坐標(biāo)點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)，前面也提到進(jìn)水濃度對(duì)和ASRR的影響是通過(guò)影響電流密度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因而在其他條件不變的情況下，和ASRR 此時(shí)只由電流密度決定。由圖8可知，流道越長(zhǎng)，電流密度極化程度越高，裝置性能偏離理想情況的程度越大，因而需要在串聯(lián)裝置時(shí)減小電流密度的極化程度。在選定了最適平衡點(diǎn)后，其他串聯(lián)裝置只需施加與最適平衡點(diǎn)相同的電流密度即可達(dá)到最佳性能。本研究使用模型驗(yàn)算了三個(gè)裝置串聯(lián)并使用上述操作條件的情況，流道總長(zhǎng)度與原裝置保持一致，其去除效率上升32.9%，去除單位質(zhì)量N 的能耗降低22.0%，此時(shí)去除效率為99.0%，去除單位質(zhì)量N的能耗為23.12kWh/kg N，可以看到串聯(lián)裝置這一改進(jìn)措施對(duì)FCDI 工藝除氨性能的提升是非常明顯的。

將改良后的FCDI 除氨工藝與同類(lèi)研究進(jìn)行對(duì)比，F(xiàn)CDI 除氨工藝與電化學(xué)高級(jí)氧化法除氨效率相當(dāng)，能耗降低了94.0%左右，相較于類(lèi)CDI 反應(yīng)器沉淀鳥(niǎo)糞石法除氨效率升高890.0%，能耗下降89.5%，相較于汽提法除氨效率上升57.1%，能耗下降7.0%，可以看到FCDI 除氨工藝在去除效率和能源節(jié)約方面均表現(xiàn)良好，有著廣闊的發(fā)展前景。

4 結(jié)論

（2）由模型結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)流量、電流密度和電極液中活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)等工況條件影響下的裝置除氨性能進(jìn)行了研究，并使用Ragone 圖整合離子選擇性和去除速率兩個(gè)指標(biāo)，定性闡明操作參數(shù)對(duì)去除氨的影響機(jī)理，篩選出較優(yōu)化工況。裝置在進(jìn)水流量1.25mL/min、電流密度21.26A/m、活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的情況下，除氨效率為74.5%，能耗為29.62kWh/kg N，可以達(dá)到較為理想的除氨狀態(tài)。

（3）使用模型對(duì)FCDI 除氨流程進(jìn)一步剖析，從拉格朗日法和歐拉法兩個(gè)角度對(duì)裝置內(nèi)部離子傳輸情況作出了闡述，可知電流密度隨進(jìn)水流動(dòng)距離的變化而降低，考慮到過(guò)長(zhǎng)的流道長(zhǎng)度會(huì)造成電流密度的極化，導(dǎo)致裝置除氨性能逐漸偏離選取的理想除氨性能，因而提出串聯(lián)裝置的改進(jìn)建議以提升電流利用效率促進(jìn)傳質(zhì)，最終使用模型驗(yàn)證了該建議的準(zhǔn)確性，改進(jìn)后的裝置去除效率上升32.9%，同時(shí)去除單位質(zhì)量N的能耗降低22.0%，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化的目標(biāo)。將優(yōu)化后的FCDI 除氨工藝與同類(lèi)研究對(duì)比，F(xiàn)CDI 除氨工藝在除氨效率和能耗方面均占據(jù)優(yōu)勢(shì)，有著龐大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>