顏朝霞 陳紅蕾

摘要：中和反應(yīng)是利用酸堿中和劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)使樣品顯中性。然而，酸堿中和劑的加入導(dǎo)致多離子污染，增加鹽離子濃度，對檢測分析造成很大干擾。本項目研制的中和器，可以不添加試劑材料，不更換零部件，通過電流控制，應(yīng)用在線再生，實(shí)現(xiàn)中和—除鹽的目的，將酸堿鹽水中和轉(zhuǎn)化成為中性水。

關(guān)鍵詞：中和;電滲析;在線再生;離子交換膜

中圖分類號：X703.3

0?? 引言

近年來，由于工業(yè)現(xiàn)代化飛速發(fā)展，人民生活水平日益提高，同時造成的問題是每天產(chǎn)生批量的工業(yè)廢水和生活污水，由此帶來的后果是廢水、污水處理問題日顯突出。將未被處理的廢水、污水直接排放，則土壤、耕地、江河湖海等環(huán)境被污染、破壞，帶來生物死亡甚至物種滅絕等嚴(yán)重的問題。從社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等方面出發(fā)，廢水、污水的有效處理至關(guān)重要。

1?? 設(shè)計原理及構(gòu)成

本項目擬采用電滲析技術(shù)達(dá)到中和除鹽的目的，利用大容量膜控制電流，節(jié)省時間，減少材料耗損，從而實(shí)現(xiàn)了在線再生，持續(xù)使用，應(yīng)用中沒有任何耗材、無需更換任何配件。能夠?qū)⑺釅A度、鹽度很高的液體中和成為中性水。

中和器的工作原理是中和器被離子交換膜分隔為中間的中和室和兩邊的兩個再生室，在中和器的陰陽兩極加0-200mA的電流，陽極再生室內(nèi)的水被分解成H⁺離子和O₂，同時陰極再生室的水被分解成OH^-根和H₂，陽極再生室的H⁺離子在電流的作用下穿過離子膜進(jìn)入中和室，和中和室內(nèi)的OH^-離子結(jié)合成水從廢液流出中和室，而中和室內(nèi)的Na⁺離子在陰極的吸引下穿過離子膜進(jìn)入陰極再生室，從廢液流出。電流的大小視樣品pH值及樣品出口pH值確定，電流大小通過可調(diào)恒流電源調(diào)節(jié)和控制。

2?? 中和器設(shè)計開發(fā)及研制

2.1 中和器的設(shè)計開發(fā)

從電滲析原理出發(fā)，查閱大量資料，經(jīng)多次設(shè)計論證，設(shè)計出以選擇性滲透膜間隔的，具有一個中和室和兩個再生室的結(jié)構(gòu)簡單，死體積小，流路合理的中和器。圖1是中和器的原理圖，通過樣品液體與再生液相反的流向以達(dá)到最佳的中和效果。

根據(jù)設(shè)計方案設(shè)計中和裝置的具體結(jié)構(gòu)，包括中和器夾板、電極、密封層、流路等。繪制各部件的加工圖：首先繪制三維立體效果圖，然后輸出二維平面圖，包括系統(tǒng)全圖、中和裝置結(jié)構(gòu)圖、系統(tǒng)外觀設(shè)計圖、原理圖、零件圖等。三維圖利于評價和理解整個系統(tǒng)，二維圖用于加工制作。

圖2是中和器模擬結(jié)構(gòu)圖，包括兩端固定夾板、陰陽電極、均相陰陽離子交換膜、中和室隔離板。兩端夾板設(shè)計能安裝電極的凹槽，組成再生室，陰陽離子交換樹脂填充在再生室和中和室。通過純凈水電解產(chǎn)生的H+離子和OH-離子結(jié)合離子交換膜來中和酸或堿。

2.2 離子交換膜的選擇、電極的定制

通過反復(fù)試驗選擇合適的材料，并不是所有的材料都是可用的，在工作中不斷與設(shè)計要求進(jìn)行比對，以達(dá)到合理的選材。比如哪種材料可以耐受有機(jī)溶劑、哪種膜壽命更長、哪種電極更耐腐蝕等。

經(jīng)多次市場調(diào)研篩選，試驗測試確定，最終選擇離子交換膜采用選擇性滲透均相陽離子交換膜，電極定制為鈦電極（如圖3所示）。

2.3 中和器加工

按設(shè)計圖紙要求，通過機(jī)械加工來完成所需要的部件，這樣加工的速度比較快，可靈活更改。

（1）材料選擇

主要的機(jī)械加工部分是夾板，開始選擇的是PEEK材料，在加工過程中發(fā)現(xiàn)PEEK材料雖然在機(jī)械性能及耐腐蝕性能方面非常好，但是在試制過程中需要觀察液體真正流路，而PEEK不透明不利于觀察，且材料成本較貴，經(jīng)過比對材料的性能，選擇了透明有機(jī)玻璃作為加工材料，不僅透明易于觀察且耐腐蝕性能也可以滿足使用要求，但機(jī)械性能稍差，最后確定使用有機(jī)玻璃板外再加2mm的不銹鋼板增加機(jī)械強(qiáng)度。

（2）試制過程

此環(huán)節(jié)包括大量工作，很多需要經(jīng)過條件試驗來確定最終的設(shè)計方案。設(shè)計的抑制容量和結(jié)構(gòu)，在實(shí)際安裝使用過程中出現(xiàn)了加工難度大、偏離設(shè)計要求等情況，實(shí)驗測試中根據(jù)測試結(jié)果及時改進(jìn)設(shè)計方案，逐步完善。關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括：死體積、有效膜面積、電極大小、中和電流大小、中和室厚度、內(nèi)部流路設(shè)計等。

試制過程中大量的工作是反復(fù)試裝及加工，經(jīng)過無數(shù)個細(xì)節(jié)的改進(jìn)、優(yōu)化，最終達(dá)到設(shè)計要求。而成品中和器又容量不足、壓力偏高。歷經(jīng)了3代產(chǎn)品，試驗測試數(shù)據(jù)見表1所列。

由表1可以看出：

第一代產(chǎn)品：測試時發(fā)現(xiàn)可以達(dá)到中和的效果，可是容量不夠，在1.0mL/min的流速，200mA電流下，只能中和到60mM的氫氧化鈉，這樣的容量不能滿足實(shí)際需要，所以對中和器交換面積做了調(diào)整。

第二代產(chǎn)品：將中和室膜面積增加了一倍，離子交換樹脂，采用300-400目的大容量離子交換樹脂，同等條件下中和容量提高到了原來的2.5倍，可是因為樹脂粒度小，中和器內(nèi)部流路管徑?。?.5mm）等原因，中和器壓力偏高，大約在1.5Mpa左右。

第三代產(chǎn)品：在不影響容量的前提下將樹脂粒度調(diào)整為200目，流路管徑調(diào)整為1.5mm，并且對電極室的間距做了調(diào)整，現(xiàn)在的容量已經(jīng)可以中和200mM的氫氧化鈉。

中和器的容量受三個因素的影響，分別是流速、電流、膜有效交換面積，膜的有效交換面積與電極大小有關(guān)，所以這個是設(shè)計環(huán)節(jié)已經(jīng)固定的參數(shù)，那么在測試過程中容量就只與電流和流速有關(guān)了。我們的測試方法有兩種：一是固定堿溶液濃度和流速，測試能夠完全中和的最小電流，這個電流與容量成反比，即容量越大電流越小。二是固定流速和電流，變化堿溶液濃度，能中和的堿溶液濃度越大則中和器的容量越大。在給中和器連續(xù)輸送NaOH時，NaOH溶液與中和器達(dá)到動態(tài)平衡。試驗測試數(shù)據(jù)見表2所列。

3?? 結(jié)果與討論

由表2可以看出同一中和器：

電流=濃度×流速×系數(shù)（系數(shù)是一個經(jīng)驗值，根據(jù)多次不同濃度流速下的電流計算出來的）

在電流相同的情況下，流速越小，中和能力越強(qiáng);

在流速相同的情況下，電流越大，中和能力越強(qiáng);

在流速最小，電流最大時，中和能力最強(qiáng)。

選擇離子交換膜采用選擇性滲透均相陽離子交換膜、電極定制為鈦電極、使用過程中發(fā)現(xiàn)中和器的兩板夾緊結(jié)構(gòu)，由于用螺栓固定，有機(jī)玻璃板較軟，長時間壓緊后螺栓及帽會嵌入有機(jī)玻璃而使用螺栓不能有效夾緊。所以我們在兩層有機(jī)玻璃外側(cè)又增加了兩塊2mm的不銹鋼板以增加強(qiáng)度。

項目優(yōu)勢在于設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于制造、經(jīng)久耐用、不用任何化學(xué)試劑，整個工作過程中只用到水，是適合我國國情的真正綠色無污染項目，且操作簡便，應(yīng)用前景好。項目的目的旨在推動和促進(jìn)廢水、污水的處理和再生回用的發(fā)展，為我國的資源再利用和環(huán)境保護(hù)工作提供必要的技術(shù)支持和保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張翔 ， 柏磊 . 環(huán)保工程水處理過程中超濾膜技術(shù)的運(yùn)用 [J]. 資源節(jié)約與環(huán)保 ，2019（02）：81.

[2] 陶珍 ， 趙榮 . 論環(huán)保工程水處理過程中應(yīng)用超濾膜技術(shù)對策 [J].資源節(jié)約與環(huán)保 ，2019（02）：90.

[3] 劉云珠 . 超濾膜技術(shù)在環(huán)境工程水處理中的應(yīng)用 [J]. 江西化工 ，2019（01）：195-196.

[4] 段妮麗，萬德民 . 精細(xì)化工廢水的污染特性分析及其控制策略 [J]. 城市建設(shè)理論研究（電子版），2013（10）.

[5] 胡洪營，吳乾元，楊揚(yáng)，等 . 面向毒性控制的工業(yè)廢水水質(zhì)安全評價與管理方法 [J]. 環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報，2011（1）：46-51.

[6]侯立安，張林.膜分離技術(shù)：開源減排保障水安全[J].中國工程科學(xué)，2014，11（12）：10- 16.

[7]王鑒，郭天嬌，齊保坤.高含鹽工業(yè)廢水處理技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J].煤化工，2015，01（03）：18- 21.

[8]易華西，張?zhí)m威，黃冬成.反滲透膜技術(shù)在乳品工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用[J].中國乳品工業(yè)，2015，11（06）：49- 51.

[9] Becheleni E M A， Borba R P， et al. Water recovery from saline streams produced by electrodialysis [J]. Environ Technol， 2015，36（3）： 386-394.

[10] Gogate P R， Pandit A B. A review of imperative technologies for wastewater treatment I： oxidation technologies at ambientconditions [J]. Adv Environ Res， 2004， 8（3）： 501-551.

[11] Kronholm J， Hartonen K， et al. Oxidation of 4-chloro-3-methylphenol in pressurized hot water/supercritical water with potassiumpersulfate as oxidant [J]. Environ Sci Technol， 2001， 35（15）： 3247-3251.

[12] Kwon S R， Nam S H， Park C Y， et al. Electrodeless Reverse Electrodialysis Patches as an Ionic Power Source for Active TransdermalDrug Delivery [J]. Adv Funct Mater， 2018， 28（15）： 1-10.

顏朝霞（1968—），女，漢族，甘肅蘭州人，大學(xué)本科，高級工程師，主要研究方向：化工產(chǎn)品研發(fā)與檢測檢驗。

通訊作者：陳紅蕾（1965—），女，漢族，陜西西安人，大學(xué)本科，高級工程師，主要研究方向：機(jī)械研究。