高 峰，楊 宇，宋日權(quán)，柴多生，孫 昕，盧金鎖，秦艷春

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特 010052；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，呼和浩特 010020；3.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安 710055；4.烏蘭察布水文水資源分中心，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013750)

岱海作為內(nèi)蒙古自治區(qū)第三大內(nèi)陸湖，是內(nèi)蒙古生態(tài)安全屏障的重要戰(zhàn)略支點(diǎn)[1]。近30 a來，受全球氣候變暖和當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展的共同影響，入海水量顯著減少，岱海水面嚴(yán)重萎縮，水體污染日趨嚴(yán)重[2]。目前岱海主要水質(zhì)污染特征為：礦化度高，有機(jī)污染嚴(yán)重，處于中度富營養(yǎng)狀態(tài)，生物多樣性銳減[3]。

目前常用的除鹽方法包括蒸餾法、膜濾法、電滲析法、化學(xué)除鹽等[8]。其中蒸餾法除鹽效率高，能夠?qū)⑺袔缀跛腥芙庑噪x子和有機(jī)物排出，可以獲得高純度水，但是能耗較高，需要消耗大量能源對水進(jìn)行蒸發(fā)和冷凝；排放的廢水、廢熱和廢氣會對環(huán)境產(chǎn)生影響[9]。膜濾法能耗較低，除鹽能力強(qiáng)，可以濾掉不同分子量的離子和有機(jī)分子，但是維護(hù)成本較高，需要定期換膜，清洗、消毒等操作；膜濾法易受到水源中溶解物、微生物的影響，導(dǎo)致濾膜易堵[10]。電滲析法方法簡單，可以自動化操作，無需添加化學(xué)藥劑，安全、環(huán)保，對水質(zhì)無污染，低能耗維護(hù)費(fèi)用較低。但是電滲析法需要較高的電壓，電流密度對半透膜的影響較大，容易損壞半透膜，增加了成本；電滲析脫鹽速度慢[11]?；瘜W(xué)除鹽法速度快、處理效率高，理論上可以處理工業(yè)制造、食品加工、環(huán)保領(lǐng)域等[12-14]行業(yè)污水中的各種高濃度離子，具有廣泛的適用性；但該方法不適用于要求高純度的水質(zhì)處理，也缺乏針對岱海這類典型微咸水湖除鹽的研究報(bào)道。

1 材料與方法

1.1 原水的配制

本實(shí)驗(yàn)所用原水均為向蒸餾水中投加Na2CO3、NaHCO3、Na2SO4、CaCl2、MgCl2、NaCl、KCl藥劑配制而成。原水以5 g/L的基準(zhǔn)，根據(jù)理論計(jì)算和水質(zhì)分析得到各離子在水中的平均濃度，分別在蒸餾水中加入以上藥劑來配制所需水質(zhì)(具體含量見表1)。

表1 不同離子加藥量 mg/L

實(shí)驗(yàn)中所用原水中硫酸根濃度為340.430 7 mg/L，需向蒸餾水中投加Na2SO4濃度為503.386 4 mg/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1加入NaOH除鎂

1)反應(yīng)時(shí)間對去除鎂硬度的影響

在實(shí)驗(yàn)原水中加入足量的NaOH(加入量為鎂硬度理論量的105%)，用磁力攪拌器以一定速度進(jìn)行攪拌，累計(jì)反應(yīng)時(shí)間60 min，取樣間隔10 min。取上清液測定水中Mg2+濃度，探究不同反應(yīng)時(shí)間對鎂硬度的去除效果，設(shè)置操作溫度為25℃，處理水樣1 000 mL，攪拌強(qiáng)度為500 r/min，投加NaOH濃度為5 811 mg/L，原水中Mg2+濃度148.01 mg/L。

2)攪拌強(qiáng)度對去除鎂硬度的影響

在實(shí)驗(yàn)原水中加入足量的NaOH(加入量為鎂硬度理論量的105%)，用磁力攪拌器以不同速度進(jìn)行攪拌，實(shí)驗(yàn)設(shè)置轉(zhuǎn)速為0～800 r/min。取上清液測定水中Mg2+濃度，探究不同攪拌轉(zhuǎn)速對鎂硬度的去除效果，設(shè)置操作溫度為25℃，處理水樣1 000 mL，投加NaOH 0.58 g/L，原水中Mg2+濃度148.01 mg/L。

3)反應(yīng)溫度對去除鎂硬度的影響

在實(shí)驗(yàn)原水中加入足量的NaOH(加入量為鎂硬度理論量的105%)，用磁力攪拌器以一定速度進(jìn)行攪拌，設(shè)置不同的反應(yīng)溫度，反應(yīng)中從第10 min開始取樣，每隔10 min取一次樣，共反應(yīng)60 min，取上清液測定水中Mg2+濃度，探究不同反應(yīng)溫度對鎂硬度的去除效果，設(shè)置操作攪拌強(qiáng)度為500 r/min，處理水樣1 000 mL，投加NaOH濃度為5 811 mg/L，原水中Mg2+濃度148.01 mg/L。

4)加藥量對去除鎂硬度的影響

在實(shí)驗(yàn)原水中加入不同量的NaOH(基于NaOH理論量)，用磁力攪拌器以一定速度進(jìn)行攪拌，實(shí)驗(yàn)設(shè)置加藥量為理論值的0～120%。取上清液測定水中Mg2+濃度，探究不同加藥量對鎂硬度的去除效果，設(shè)置操作溫度為25 ℃，處理水樣1 000 mL，攪拌時(shí)間為40 min，攪拌轉(zhuǎn)速為500 r/min，原水中Mg2+濃度148.01 mg/L。

1.2.2加入Na2CO3除鈣

1)反應(yīng)時(shí)間對去除鈣硬度的影響

在實(shí)驗(yàn)原水中加入足量的Na2CO3(加入量為鈣硬度理論量的105%)，其余條件設(shè)置同1.2.1(1)，投加碳酸鈉92.20 mg/L，原水中Ca2+濃度1 591.71 mg/L。

2)攪拌強(qiáng)度對去除鈣硬度的影響

在實(shí)驗(yàn)原水中加入足量的Na2CO3(加入量為鈣硬度理論量的105%)，其余條件設(shè)置同1.2.1(2)，投加碳酸鈉92.20 mg/L，原水中Ca2+濃度1 591.71 mg/L。

3)溫度對去除鈣硬度的影響

在實(shí)驗(yàn)原水中加入足量的Na2CO3(加入量為鈣硬度理論量的105%)，其余條件設(shè)置同1.2.1(3)，原水中Ca2+濃度1 591.71 mg/L。

在實(shí)驗(yàn)原水中加入不同量的Na2CO3(基于鈣硬度理論量)，其余條件設(shè)置同1.2.1(4)，原水中Ca2+濃度1 591.71 mg/L。

1.2.3加入Ca(OH)2降低鹽度

在實(shí)驗(yàn)原水中加入不同量的Ca(OH)2(基于鈣鎂硬度以及堿度理論量)，其余條件設(shè)置同1.2.1(1)，初始硬度181.21 mg/L。

1)反應(yīng)時(shí)間對去除硫酸根的影響

2)攪拌強(qiáng)度對去除硫酸根的影響

(3)欽州石夾剖面硅質(zhì)巖微量元素各特征值同樣表明，地質(zhì)界線處硅質(zhì)巖形成環(huán)境屬于大陸島弧與大陸邊緣過渡區(qū)，其受到熱液影響程度經(jīng)歷了先強(qiáng)后弱的變化過程。

3)投加量對去除硫酸根的影響。

表2 具體反應(yīng)條件

2 結(jié)果與分析

2.1 除鎂硬度結(jié)果與分析

2.1.1反應(yīng)時(shí)間對去除鎂硬度的影響

通過向海水中加入化學(xué)試劑使海水中的Mg2+沉淀，以降低海水硬度，達(dá)到海水軟化的目的。室溫下Mg(OH)2的溶度積為5.61×10-12(mol3/L3)，因此可以通過生成Mg(OH)2沉淀而去除。加OH-來脫除海水中Mg2+。在pH值≥10.5時(shí)，Mg2+以Mg(OH)2的形式沉淀下來。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(見圖1)，在反應(yīng)前30 min，水中的Mg2+濃度迅速降低，Mg2+去除率從10 min時(shí)的50%增加到30 min時(shí)的63%，隨反應(yīng)時(shí)間延長，Mg2+與氫氧根離子結(jié)合的越充分；反應(yīng)40 min后Mg2+去除率趨于平穩(wěn)，緩慢增加到60 min時(shí)的64%，隨著沉淀的增加，Mg2+濃度逐漸減小，導(dǎo)致其不易于氫氧根結(jié)合生成沉淀，Mg2+去除速率降低。因此，最佳的反應(yīng)時(shí)間為40 min。

圖1 反應(yīng)時(shí)間對去除鎂硬度的影響示意

2.1.2攪拌強(qiáng)度對去除鎂硬度的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(見圖2)：改變攪拌強(qiáng)度會明顯提高對Mg2+去除速率，反應(yīng)20 min后，有無攪拌且攪拌強(qiáng)度的大小對Mg2+去除率的影響差異較小。攪拌速率超過400 r/min時(shí)，反應(yīng)60min時(shí)Mg2+去除率穩(wěn)定增加至64%；當(dāng)無攪拌時(shí)，反應(yīng)前20 min Mg2+去除率明顯低于有攪拌時(shí)的去除率，由于攪拌會使得Mg2+易于與OH-碰撞，生成沉淀。

2.1.3溫度對去除鎂硬度的影響

如圖3所示，當(dāng)溫度為25℃時(shí)Mg2+的去除率明顯低于其他溫度處理下鎂去除率，30 min之后去除率增加較快但仍低于其他處理。溫度超過30℃時(shí)均有較高的去除率，且溫度越高鎂硬度去除率越高，由于加熱時(shí)鎂易與碳酸根結(jié)合，形成水垢，從而去除鎂硬度。反應(yīng)時(shí)間越長，鎂硬度去除率越高，反應(yīng)時(shí)間超過40 min以后去除率趨于穩(wěn)定，除鎂率超過90%。

圖3 反應(yīng)溫度對去除鎂硬度的影響示意

2.1.4加藥量對去除鎂硬度的影響

如圖4所示：隨NaOH投加量增加，Mg2+去除率先快速增加后逐漸穩(wěn)定。由于NaOH少量，而Mg2+過量，投加的氫氧化鈉會迅速和Mg2+反應(yīng)，生成沉淀。當(dāng)NaOH投加量為80 mg/L時(shí)Mg2+去除率約為80%。NaOH投加量大于80 mg/L時(shí)，Mg2+去除率趨于平穩(wěn)，所以氫氧化鈉最佳投加量為80 mg/L。

圖4 NaOH投加量對去除鎂硬度的影響示意

2.2 Na2CO3除鈣硬度結(jié)果與分析

2.2.1反應(yīng)時(shí)間對去除鈣硬度的影響

如圖5所示，在反應(yīng)初期，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，Ca2+濃度迅速降低，40 min時(shí)Ca2+去除率最大，約為65%，這是因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間越長Ca2+和碳酸根反應(yīng)越充分，使Ca2+去除率升高。反應(yīng)時(shí)間超過40 min，去除效果明顯下降。因此，最佳反應(yīng)時(shí)間為40 min左右。

圖5 反應(yīng)時(shí)間對去除鈣硬度的影響示意

2.2.2攪拌強(qiáng)度對去除鈣硬度的影響

各攪拌強(qiáng)度下，反應(yīng)前45 min，隨著時(shí)間的增加Ca2+去除率明顯增加。攪拌強(qiáng)度為400 r/min時(shí)，去除率從5 min時(shí)的55%增加至45 min時(shí)的70%(見圖6)。因?yàn)殡S著時(shí)間的增加，Ca2+和氫氧根結(jié)合越來越充分，鈣硬度去除率越來越高。反應(yīng)45 min后，鈣硬度去除率趨于平穩(wěn)，反應(yīng)逐漸達(dá)到平衡；有攪拌時(shí)鈣硬度的去除率明顯高于無攪拌時(shí)的去除率，因?yàn)閿嚢枋沟肅a2+易與碳酸根碰撞，生成沉淀。攪拌強(qiáng)度為400 r/min時(shí)效果最好，攪拌強(qiáng)度過大會使得已生成的沉淀懸浮，從而降低鈣硬度去除率。

圖6 攪拌強(qiáng)度對去除鈣硬度的影響示意

2.2.3溫度對去除鈣硬度的影響

從圖7可以看出，隨著反應(yīng)溫度升高，Ca2+的去除率逐漸升高，溫度為25 ℃時(shí)鈣硬度的去除率明顯低于其他溫度時(shí)鈣硬度的去除率，且溫度越高鈣硬度去除率越高。因?yàn)榧訜釙r(shí)鈣易與碳酸根結(jié)合，形成水垢，從而去除鈣硬度。就特定的某一溫度來說，隨著攪拌時(shí)間增加，Ca2+去除率上升的趨勢越來越小，攪拌時(shí)間大約為45 min時(shí)去除率基本趨于穩(wěn)定。

圖7 反應(yīng)溫度對去除鈣硬度的影響示意

2.2.4加藥量對去除鈣硬度的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(見圖8)：當(dāng)Na2CO3的投加量小于100 mg/L時(shí)，加藥量越大，Ca2+的去除效果越好，因?yàn)榇藭r(shí)Na2CO3少量而Ca2+過量，投加的Na2CO3會迅速和Ca2+反應(yīng)生成沉淀。當(dāng)加藥量為100 mg/L時(shí)鈣硬度約為0.1 mmpl/L。當(dāng)加藥量超過100 mg/L時(shí)鈣硬度去除率趨于平穩(wěn)。

圖8 Na2CO3投加量對去除鈣硬度的影響示意

2.3 加入Ca(OH)2降低鹽度的結(jié)果與分析

通?？梢约覥a(OH)2調(diào)節(jié)pH值為9.5左右時(shí)，就可以把Ca2+以CaCO3的形式沉淀下來。如圖9所示：在本實(shí)驗(yàn)的Ca(OH)2加藥量條件下，鎂去除率約為88%；加藥量對于鉀離子、氯離子、鈉離子以及硫酸根離子的去除率影響不大，當(dāng)加藥量為理論值的120%時(shí)，去除率僅為20%左右；對于Ca2+，Ca(OH)2投加量為理論值40%時(shí)，鈣去除率最高，約為60%。若繼續(xù)投加Ca(OH)2，鈣去除率驟減，甚至達(dá)到負(fù)值。雖然加入Ca(OH)2對硬度去除效果不理想，但由于Ca(OH)2在水中呈現(xiàn)懸濁狀態(tài)，在反應(yīng)形成沉淀的過程中會將部分其他離子如鈉、鉀離子裹挾隨之一起沉降，從而降低溶液的整體濃度。

2.4 氯化鋇法去除硫酸根的結(jié)果與分析

2.4.1反應(yīng)時(shí)間對去除硫酸根的影響

圖10 反應(yīng)時(shí)間對去除硫酸根離子的影響示意

2.4.2攪拌強(qiáng)度對去除硫酸根的影響

圖11 攪拌強(qiáng)度對去除硫酸根離子的影響示意

2.4.3加藥量對去除硫酸根離子的影響

圖12 加藥量對去除硫酸根離子的影響示意

3 結(jié)語