徐淑偉,來鳳堂,陸秀香,薄文文,李樹標

(1.山東阜豐發(fā)酵有限公司,山東 臨沂 276600;2.山東省微生物發(fā)酵重點實驗室,山東 臨沂 276600)

目前,絕大部分熱電廠化學水制取采用反滲透技術,一般反滲透產(chǎn)水率為75%,同時產(chǎn)生25%的濃水。在處理回用反滲透濃水方面,主要是依靠高壓反滲透系統(tǒng),此類系統(tǒng)的濃水回收率為50%,最終仍會產(chǎn)生10%～15%的濃水[1],這部分濃水含鹽量更高,回收利用難度大,造成水資源浪費,目前主要用于沖洗多介質(zhì)過濾器。

相較于反滲透技術,電滲析是在直流電場作用下,利用離子交換膜的選擇透過性,帶電離子透過離子交換膜定向遷移從水溶液中分離出來,從而實現(xiàn)濃縮和淡化溶液的目的[2]。同時,電滲析具有操作連續(xù)性、環(huán)境污染小和水資源利用率高等優(yōu)點,在環(huán)境、制鹽、食品和化工領域方面具有廣泛應用[3-7],但電滲析技術在熱電廠反滲透濃水的深度處理方面鮮見報道。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

國內(nèi)絕大部分熱電廠制取化學水采用“一級反滲透+二級高壓反滲透”的工藝,其流程如圖1所示,一級反滲透產(chǎn)生的濃水由二級高壓反滲透回收再利用。實驗用水取自一級反滲透濃水(電導率1.5～2.3 ms/cm)和二級高壓反滲透濃水(電導率3.5～4.5 ms/cm)。

圖1 熱電廠化學水制取工藝流程Fig.1 Process flow of chemical water preparation in thermal power plant

1.2 儀器與設備

電滲析設備,山東天維膜技術有限公司提供。

電滲析循環(huán)系統(tǒng)設備包括水箱、水泵、流量計和壓力表,實驗工作電壓為14 V,電滲析膜堆10對,膜的尺寸為200 mm×600 mm,電滲析陰陽離子交換膜離子交換量0.9～1.10 mmol/g。

電滲析工作原理是利用離子交換膜對陰/陽離子的選擇透過性能,在直流電場的作用下,使陰/陽離子發(fā)生定向遷移,從而達到電解質(zhì)的分離、提純和濃縮的目的[8-10]。離子交換膜是由高分子材料制成的對離子具有選擇透過性的薄膜,主要分陽離子交換膜和陰離子交換膜兩種。陽膜由于膜體固定基帶有負電荷離子,可選擇透過陽離子;陰膜由于膜體固定基帶有正電荷離子,可選擇透過陰離子。淡水室中的陰離子向陽極方向遷移,透過陰膜進入濃水室,陽離子向陰極方向遷移,透過陽膜進入濃水室,濃水室因陰、陽離子不斷進入而濃度提高,淡水室因陰、陽離子不斷移出而使?jié)舛认陆?通過隔板邊緣特制的孔,分別將濃、淡隔室的水流匯聚引出,便產(chǎn)生兩股主水流淡化水和濃縮鹽水[11]。

1.3 實驗方法

1.3.1 一級反滲透濃水電滲析脫鹽實驗

取熱電廠一級反滲透的濃水40 L加入電滲析淡化室水箱,另取10 L濃水加入電滲析濃縮室水箱,開啟電滲析設備,測試電滲析對一級反滲透濃水脫鹽及產(chǎn)水情況。

1.3.2 二級高壓反滲透濃水電滲析脫鹽實驗

取熱電廠二級高壓反滲透的濃水30～40 L加入電滲析淡化室水箱,另取5 L加入電滲析濃縮室水箱,開啟電滲析設備,測試電滲析對二級高壓反滲透濃水脫鹽及產(chǎn)水情況。

1.3.3 電滲析脫鹽率的測定

在電滲析的脫鹽過程中,反映脫鹽效果好壞的指標是脫鹽率的多少。脫鹽率指在去除水中陰、陽離子過程中,減少的量占初始量的百分數(shù)[6,12],其表達式為

電滲析產(chǎn)水率表達式為

2 結果和分析

2.1 電滲析對一級反滲透濃水脫鹽效果分析

電滲析對一級反滲透濃水脫鹽進行了7個批次的實驗,實驗結果如表1,2所示。

表1 電滲析對一級反滲透濃水脫鹽后淡化室實驗結果

表2 電滲析對一級反滲透濃水脫鹽后濃縮室實驗結果

電滲析對濃鹽水的脫鹽效果與濃鹽水初始電導率、電滲析設備的運行時間和流量有關,濃鹽水的初始電導率較低,經(jīng)電滲析脫鹽后電導率也比較低,設備運行時流量太低容易造成離子交換膜表面結垢,流量太高脫鹽效果變差,故實驗中設備運行流量設置為140～200 L/h,同時也可以通過延長設備運行時間確保脫鹽效果。

一級反滲透淡化室濃水經(jīng)電滲析脫鹽后電導率從初始1.5～2.0 mS/cm降低到0.4～0.5 mS/cm,因此可以考慮將脫鹽后的淡水作為一級反滲透的進水使用。電滲析對一級反滲透濃水脫鹽率76%～79%,達到一個較好的脫鹽效果。

電滲析淡化室水體積40 L,濃縮室水體積10 L,電滲析淡水產(chǎn)水率80%,最終僅產(chǎn)生體積比例僅為5%的濃水,電滲析在處理一級反滲透濃水在產(chǎn)水率方面優(yōu)勢明顯,比二級高壓反滲透產(chǎn)水率提高30%。

由于電滲析處理一級反滲透濃水具有較高的脫鹽率和產(chǎn)水率,因此可以用電滲析代替二級高壓反滲透回收一級反滲透濃水,減少濃水的產(chǎn)生量,工藝流程如圖2所示。

圖2 電滲析代替二級高壓反滲透的化學水制取工藝流程Fig.2 Electrodialysis instead of high-pressure reverse osmosis chemical water production process

2.2 電滲析對二級高壓反滲透濃水脫鹽效果分析

電滲析對二級高壓反滲透濃水脫鹽進行了7個批次的實驗,實驗結果如表3,4所示。

表3 電滲析對二級反滲透濃水脫鹽后淡化室實驗結果

表4 電滲析對二級反滲透濃水脫鹽后濃縮室實驗結果

二級高壓反滲透淡化室濃水經(jīng)電滲析脫鹽后電導率從初始3.5～4.5 mS/cm降低到1.0 mS/cm左右,電導率稍低于一級反滲透濃水電導率,可以循環(huán)到到二級高壓反滲透的進水使用。電滲析對二級高壓反滲透濃水脫鹽率為71%～79%,同樣達到一個較好的脫鹽效果。

電滲析淡化室水體積30～45 L,濃縮室水體積5 L,電滲析淡水產(chǎn)水率85%～90%,最終產(chǎn)生濃水體積比僅為1%～2%。

為最大限度的提高水資源的利用率,也可以考慮用電滲析繼續(xù)處理回收二級高壓反滲透高鹽濃水,工藝流程如圖3所示。

圖3 電滲析回收二級高壓反滲透濃水工藝流程Fig.3 Process flow of electrodialysis to recover high-pressure reverse osmosis concentrated water

3 結 論

由于反滲透設備技術局限性,制取化學水的過程中會產(chǎn)生一定比例的高鹽濃水,這部分濃水回收利用難度大,而電滲析技術對一級反滲透濃水或二級高壓反滲透濃水的脫鹽率達到71%～79%,產(chǎn)水率為80%或更高,電滲析對比反滲透技術在脫鹽和產(chǎn)水率方面具有明顯優(yōu)勢,因此可以考慮用電滲析代替二級高壓反滲透回收一級反滲透的濃水,或在現(xiàn)有二級高壓反滲透基礎上增加電滲析設備進一步回收二級高壓反滲透濃水,能最大限度地減少反滲透濃水產(chǎn)生量,因此電滲析技術在反滲透濃水回用方面具有重大意義。