曹 勛，丁新春*，施 鵬，孫紅芳，張建朱，馮小衛(wèi)，宋日晨，李寅森，吳大鵬

(1.南京大學鹽城環(huán)保技術與工程研究院，江蘇 鹽城 224000；2.南京大學環(huán)境學院，江蘇 南京 210046；3.鹽城大豐自來水有限公司,江蘇 大豐 224100；4.中國石油渤海鉆探第二固井分公司，天津 300280)

離子交換樹脂作為一種水處理材料，能夠高效去除飲用水源水中的NOM(天然有機物)，有效控制消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生，在飲用水深度處理領域具有很好的應用前景[1-2]。但是樹脂工藝會產(chǎn)生少量的脫附液，具有高鹽、高有機物、處理難度大等特點，脫附液的處置問題一定程度上制約了樹脂法的產(chǎn)業(yè)化[3-5]。

筆者前期結合電滲析小試及中試，對樹脂脫附液進行資源化利用研究，結果表明，電滲析技術可有效分離樹脂脫附液中有機組分和鹽組分，濃縮液鹽的質量濃度可達到樹脂再生劑要求，且具有很好的再生效果，從而實現(xiàn)脫附液中鹽分的資源化利用，處理每噸脫附液原液可節(jié)約運行成本11.5元[6]。筆者自制電滲析中試裝置，用于某飲用水領域樹脂脫附液鹽分回收，在原有研究的基礎上，對電滲析系統(tǒng)的運行條件和參數(shù)進行進一步優(yōu)化，以期為后續(xù)工程化應用提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料

電滲析中試裝置處理量為5 t/d，有效膜面積為44.8 m2，膜片采用均相膜，離子交換容量為1.50～1.70 mmol·g-1(溫度25℃，相對于干膜質量)。

電滲析中試實驗料液為某飲用水樹脂深度處理工程中的脫附液，CODMn為2500～4000 mg/L，鹽的質量濃度為7.0%～10%，pH值為8左右。

1.2 流量優(yōu)化實驗

控制淡化室和濃縮室的料液體積比一定(3∶1)，改變電滲析中試的淡化室和濃縮室的流量，流量梯度為1.5、2.0、2.5、3.0和3.5 m3/h，研究進料流量對電滲析脫鹽率的影響。

一級反應：淡化室取脫附液原液，濃縮室取某自來水廠砂濾出水(電導率為0.75 ms/cm)作為接受液，電極液取質量濃度為3%的氯化鈉溶液(40～50 ms/cm)，極室流量為1300 L/h，壓力控制在0.01～0.02MPa，裝置運行后每隔5 min測定一次電導率，當濃縮室鹽質量濃度接近15%時，停止一級反應。二級反應：將一級濃縮室液體排空，重新加入砂濾出水，保證濃縮比為3∶1，對一級淡化液進行二級淡化，電流下降至10 A以下時，停止實驗。對一級反應、二級反應濃縮液和淡化液的常規(guī)指標(CODMn和電導率)進行分析，并進行三維熒光和UV-vis吸收光譜表征。

1.3 濃縮比優(yōu)化實驗

工程中脫附液原液的初始含鹽率會有一定的波動，因此為了確保一級濃縮液鹽的質量濃度能達到15%對應的淡化室和濃縮室的體積比閾值會有一定的差異，考察了2種不同含鹽率的脫附液原液的脫鹽效果，探索其淡濃兩室最佳體積比。

極室流量為1300 L/h，淡化室和濃縮室流量為2.5 m3/h，壓力控制在0.01～0.02 MPa。改變電滲析中試中淡化室和濃縮室的體積比，即濃縮比，料液1設置1.5∶1、2.7∶1和4.0∶1共3個梯度，料液2設置了1.5∶1和3.0∶1共2個梯度，其他實驗條件同上，探究其對電滲析一級反應脫鹽率的影響。

表1 2種脫附液初始理化指標 Tab1 Initial physicochemical indices of two desorption liquids

2 結果與分析

2.1 淡化室和濃縮室的流量對電滲析脫鹽的影響

結合圖1及表2可以看出，當?shù)液蜐饪s室的流量都為1.5 m3/h時，濃縮室的接受液初始電導率為0.75 ms/cm，實驗開始后，其電導率不斷上升。一級反應結束后，濃縮室電導率為93.4 ms/cm，鹽的質量濃度為8%左右(遠低于15%)，達不到NaCl回用于樹脂再生的鹽濃度。二級反應后，淡化室的電導率為6.88 ms/cm，鹽質量濃度為0.5%左右，達到了電滲析脫鹽的極限。當?shù)液蜐饪s室的流量都為2、2.5、3和3.5 m3/h時，濃縮室和淡化室的電導率隨時間變化的幅度大體一致。一級反應后，濃縮室的電導率為160 ms/cm左右，鹽的質量濃度為14%～15%，滿足回用于樹脂再生的鹽濃度。二級反應后，淡化室的電導率為6～7 ms/cm，鹽的質量濃度為0.5%左右。

從圖2可以看出，淡化室和濃縮室的流量為1.5、2.0、2.5、3.0和3.5 m3/h時，電滲析兩級反應后，淡化室脫鹽率都可以達到94%，只有當流量為3.5 m3/h時，脫鹽率稍微低一點，為92.7%。

綜上可知，從濃縮液的回用及脫鹽率角度來看，電滲析中試的淡化室和濃縮室流量范圍以2.0～3.0 m3/h為宜。

圖1 不同進料流量下，電導率隨時間的變化Fig.1 The change of electrical conductivity with time under different feed flow rates

圖2 脫鹽率隨淡化室和濃縮室流量的變化Fig.2 Variation of Desalination Rate with Flow Rate inDesalination and Concentration Chambers

表2 濃縮液和淡化液的常規(guī)指標Tab2 Routine Indicators of Concentrated and Desalinated Solutions5

一級反應、二級反應濃縮液和淡化液的常規(guī)指標分析如表2所示，淡化室的CODMn都比脫附液原液(2571.3 mg/L)高，說明電滲析有一定的濃縮有機物的作用。

另外，濃縮液中都含有一定量的有機物，說明少量有機物跨膜滲透到濃縮室(這跟膜的性能和濃淡兩室的濃度差有關)，且一級濃縮室的CODMn濃度與進料流量呈正相關關系，進料流量為3.5 m3/h時，一級濃縮液高達361.5 3 mg/L，考慮到一級濃縮液作為樹脂再生劑回用，其CODMn濃度不宜太高，濃淡室的進料流量取2.0～2.5 m3/h為宜。圖1可知，流量分別為2.0 m3/h和2.5 m3/h時，一級反應結束的時間分別為53和58 min，考慮到節(jié)約運行成本，電滲析中試處理脫附液的最佳進料流量為2.5 m3/h。

2.2 淡化室和濃縮室的體積比對電滲析脫鹽的影響

從圖3可以看出，當料液1鹽的質量濃度為7.5%，濃縮比為1.5∶1、2.7∶1和4∶1時，經(jīng)過電滲析后濃縮室的電導率分別為111.7 ms/cm、149.4 ms/cm和168.8 ms/cm，含鹽量分別約為9%、12%和15%，NaCl回用于樹脂再生的鹽濃度為15%，故針對料液1最佳的濃縮比為≥4∶1。

圖3 料液1不同濃縮比情況下電導率隨時間變化Fig.3 Conductivity changes with time at different concentration ratios of solid to liquid 1

圖4 料液2不同濃縮比情況下電導率隨時間變化Fig.4 Conductivity changes with time at different concentration ratios of solid to liquid 2

從圖4可以看出，當料液2鹽的質量濃度為10%左右，濃縮比為1.5∶1和3∶1時，經(jīng)過電滲析后濃縮室的電導率分別為109.7 ms/cm和162.8 ms/cm，含鹽量分別約為9%和15%，故針對料液2最佳的濃縮比為≥3∶1。樹脂示范工程脫氮樹脂脫附液的含鹽量在7%-10%之間，所以電滲析脫鹽實驗中最佳的濃縮比范圍為3∶1～ 4∶1。

2.3 電滲析原液、淡化液和濃縮液的成分分析

將CODMn為2751.3 mg/L，電導率為112.6 ms/cm，含鹽量為10%左右，pH值為8.04的飲用水脫附液采取濃縮比為3∶1，淡化室和濃縮室的流量都為2.5 m3/h，極室流量為1300 L/h的條件進行電滲析脫鹽實驗，得到的一級濃縮液、二級濃縮液、一級淡化液和二級淡化液的CODMn分別為240.2 mg/L、35.9 mg/L、4930 mg/L和5151.3 mg/L，并將其進行三維熒光和UV-vis吸收光譜表征。

2.3.1 三維熒光

圖5可知，飲用水脫附液、一級濃縮液、二級濃縮液、一級淡化液和二級淡化液的主要成分屬于腐殖質類熒光組分，其熒光強度順序為二級淡化液≈一級淡化液﹥飲用水脫附液﹥一級濃縮液﹥二級濃縮液，與CODMn的變化趨勢大體一致，同時說明有一些帶電腐殖質類熒光物質跨膜滲透到濃縮室，且電滲析具有一定的濃縮腐殖質類熒光物質的能力。

圖5 電滲析前后料液的三維熒光圖譜Fig.5 Three-dimensional fluorescence spectra of feed solution before and after electrodialysis

2.3.2 UV-vis吸收光譜

從圖6可以看出，飲用水脫附液、一級濃縮液、二級濃縮液、一級淡化液和二級淡化液在190-400 nm波長范圍內有紫外可見光吸收，且脫附液在190 nm處的紫外可見吸收強度最大。其在UV254處的吸收強度分別為1.3 cm-1、0.12 cm-1、0.03 cm-1、2.04 cm-1和2.13 cm-1，即UV254吸收強度順序為二級淡化液﹥一級淡化液﹥飲用水脫附液﹥一級濃縮液﹥二級濃縮液，與CODMn和熒光強度的變化趨勢基本一致，同時說明有一些帶電能吸收UV-vis光的物質跨膜滲透到濃縮室，且電滲析具有一定的濃縮吸收UV-vis光的物質的能力。

圖6 電滲析前后料液的UV-vis吸收光譜Fig.6 UV-vis Absorption Spectra of Feed before and after Electrodialysis

3 結論

(1)綜合考慮一級濃縮液的回用效果、脫鹽率、運行成本，電滲析中試濃淡兩室的最佳運行流量為2.5 m3/h。

(2)不同含鹽量的脫附液，淡化兩室體積比閾值有所差異，考慮到所研究的脫附液的含鹽量范圍為7.0%～10.0%，兩室體積比取3∶1～4∶1為宜。

(3)飲用水脫附液的主要有機成分是腐殖質類熒光組分；電滲析運行前后料液的CODMn、三維熒光強度、UV-vis強度表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，即二級淡化液>一級淡化液>脫附液原液>一級濃縮液>二級濃縮液，電滲析對有機質有一定的濃縮效果，且部分有機物能夠透過電滲析膜產(chǎn)生跨膜滲透。