無(wú)機(jī)高鹽廢水電滲析規(guī)律的研究

辛世紀(jì)，劉　勇*，曹文彬，尹勝奎，尹秋響，郝紅勛

(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072； 2.天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3.北京今大禹環(huán)保技術(shù)有限公司,北京 100043)

焦化廢水順序經(jīng)過(guò)生物處理、高級(jí)氧化以及反滲透處理后的濃水含有大量無(wú)機(jī)鹽，若直接排放，會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大危害[1-2]。我國(guó)淡水資源緊缺，對(duì)高濃度鹽水進(jìn)行脫鹽淡化，有利于水資源的再生利用，對(duì)我國(guó)建設(shè)環(huán)境友好型和循環(huán)經(jīng)濟(jì)社會(huì)具有重大意義[3-5]。

本研究中待處理水為焦化廢水經(jīng)過(guò)生物反應(yīng)、高級(jí)氧化以及反滲透處理后的濃水，含鹽量和硬度均較高。若直接使用電滲析除鹽則會(huì)由于膜結(jié)垢造成膜滲透率變差[14]。因此，本研究在采用電滲析除鹽之前，將對(duì)廢水進(jìn)行軟化處理。本實(shí)驗(yàn)將軟化后的高鹽廢水引入電滲析裝置中間室、陽(yáng)極室和陰極室，研究電壓、中間室流量、陰陽(yáng)極室流量及運(yùn)行時(shí)間對(duì)高鹽廢水脫鹽效率的影響。

1　試驗(yàn)部分

1.1　廢水來(lái)源與軟化處理

試驗(yàn)用水為某焦化廠污水經(jīng)過(guò)處理后的無(wú)機(jī)高鹽高硬度廢水，其pH值為7.75，初始電導(dǎo)率為13.30 mS·cm-1，SS含量為13.8 g·L-1。水樣烘干后經(jīng)X射線熒光光譜分析(X Ray Fluorescence，XRF)，其主要成分如表1所示。

表1　無(wú)機(jī)高鹽廢水主要化學(xué)成分

由表1可看出，無(wú)機(jī)高鹽廢水的鹽度及硬度較高，若直接使用電滲析處理會(huì)造成離子膜結(jié)垢[15]，因此在使用電滲析處理該廢水前需進(jìn)行軟化處理[16]。

1.2　裝置及分析方法

自制電滲析裝置如圖1所示。陰、陽(yáng)極室以及中間室進(jìn)水均為待處理高鹽廢水。

圖1　電滲析裝置圖Fig.1　Electrodialysis device

膜堆組裝方式為一級(jí)一段式，采用不銹鋼電極，陰、陽(yáng)離子膜為我國(guó)某大學(xué)實(shí)驗(yàn)室合成的新型離子交換膜，有效膜面積為200 mm×91.5 mm，厚度為0.56 mm，膜對(duì)數(shù)為1，隔板厚0.87 mm，兩極板間距8 mm。直流電源(Maisen，MS-3050)提供電壓。使用電導(dǎo)率儀(HORIBA，ES-12)測(cè)定進(jìn)出水的電導(dǎo)率，并依據(jù)公式(1)計(jì)算脫鹽率(x，%)：

(1)

其中，Gi和Go分別為進(jìn)出水的電導(dǎo)率(mS·cm-1)。

1.3　廢水的分解電壓

為防止在電滲析過(guò)程中廢水的電解而導(dǎo)致高能耗，首先需要確定該廢水在自制電滲析裝置中的分解電壓。在電滲析處理裝置中裝入廢水，通過(guò)調(diào)節(jié)直流電源的輸出電壓，讀取不同電壓下的電流，并作圖(如圖2所示)。

圖2　電壓與電流關(guān)系圖Fig.2　The relationship between voltage and current

由圖2可見(jiàn)，在低電壓范圍時(shí)，電流隨電壓的升高而緩慢上升，當(dāng)電壓大于某一數(shù)據(jù)后電流快速增加。對(duì)電流快速變化段和緩慢變化段作切線，兩條切線的交點(diǎn)作為廢水在該裝置中的分解電壓。由圖2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可確定該無(wú)機(jī)高鹽廢水的分解電壓約為2.8 V。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　時(shí)間對(duì)脫鹽效率的影響

固定電壓2.8 V，中間室流量為78 mL·h-1，陰、陽(yáng)極室流量為42 mL·h-1，連續(xù)運(yùn)行48 h。脫鹽效率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3　脫鹽效率隨時(shí)間變化Fig.3　The change of desalting efficiency with time

由圖3可看出，在初始時(shí)該裝置的脫鹽效率可達(dá)7.4%，運(yùn)行60 min時(shí)的脫鹽效率降為5.68%，可見(jiàn)前60 min內(nèi)脫鹽效率下降較明顯；300 min到2 100 min時(shí)脫鹽效率由4.7%降為1.4%，脫鹽效率下降較為平緩；2 100 min到3 000 min時(shí)脫鹽效率幾乎不變。脫鹽效率隨時(shí)間減小是由極化現(xiàn)象造成的，包括電極的極化和膜極化。以陽(yáng)極室為例，陰離子不斷穿過(guò)陰離子交換膜到達(dá)陽(yáng)極室，并附著在陽(yáng)極板上，隨著電滲析過(guò)程的進(jìn)行，附著在陽(yáng)極板上的陰離子層變厚，造成了電極的極化。同時(shí)陽(yáng)極室中的陽(yáng)離子由于電場(chǎng)的作用向陰極方向移動(dòng)，由于陰離子交換膜只允許陰離子通過(guò)，陽(yáng)離子在接觸到陰離子交換膜后被阻隔在陰離子交換膜靠近陽(yáng)極的一側(cè)并不斷富集，造成了膜極化，膜兩側(cè)壓差逐漸增大，陰離子進(jìn)入陽(yáng)極室要同時(shí)克服滲透壓力、膜阻力及附著在陰離子交換膜一側(cè)陽(yáng)離子層阻力，從而導(dǎo)致陰離子進(jìn)入陽(yáng)極室阻力變大，脫鹽效率隨時(shí)間逐漸降低[17]。因此需要倒電極來(lái)防止極化現(xiàn)象的產(chǎn)生。經(jīng)計(jì)算，連續(xù)運(yùn)行30和60 min時(shí)的平均脫鹽效率分別為6.7%和6.4%。

2.2　電壓對(duì)脫鹽效率的影響

固定中間室流量為78 mL·h-1，陰、陽(yáng)極室流量為42 mL·h-1，考察電壓分別為2.8、2.0、1.5和1.0 V下脫鹽效率隨時(shí)間變化規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同電壓下脫鹽效率隨時(shí)間變化Fig.4　The change of desalting efficiency with time at different voltages

由圖4可看出：在相同的電壓下，脫鹽效率隨時(shí)間變化逐漸下降；在相同的電滲析時(shí)間下，脫鹽效率隨電壓升高而增加。電壓越大，通過(guò)溶液的電流就越大，此時(shí)更多的陰、陽(yáng)離子通過(guò)離子交換膜，造成中間室的水中離子減少，脫鹽效率增大[18]。該現(xiàn)象與Elazhar等[19]的結(jié)論相同。

2.3　中間室流量對(duì)脫鹽效率的影響

固定電壓2.8 V，固定陰、陽(yáng)極室的水流量為42 mL·h-1，考察中間室水流量分別為78、150、204、246和330 mL·h-1時(shí)的脫鹽效率。20 min內(nèi)平均脫鹽效率如圖5所示。

圖5　中間室流量與脫鹽效率關(guān)系Fig.5　The change of desalting efficiency with flow rate of wastewater in the dilute compartment

由圖5看出中間室流量對(duì)脫鹽效率有較大影響，適當(dāng)降低中間室流量可以得到較高的脫鹽效率。當(dāng)電滲析裝置啟動(dòng)時(shí)，離子以一定的速度向兩極移動(dòng)，中間室流量較小時(shí)，待處理水在電滲析裝置中的停留時(shí)間較長(zhǎng)，進(jìn)入兩邊室的離子增多，因此中間室流量越小脫鹽效率越高[20]。流量較大時(shí)，待處理水在電滲析裝置中停留時(shí)間較短，離子不能充分?jǐn)U散，且剪切力和液體湍流程度較大，導(dǎo)致電場(chǎng)對(duì)離子的遷移效率下降，最終使脫鹽效率下降。但工業(yè)生產(chǎn)中要保證一定的生產(chǎn)量，因此中間室流量不宜太低。

2.4　陰、陽(yáng)極室流量對(duì)脫鹽效率的影響

設(shè)定電滲析裝置中陰、陽(yáng)極室流量相同。固定中間室流量為150 mL·h-1，在電壓為2.8 V條件下，分別考察中間室流量分別為42、102、150、198和258 mL·h-1時(shí)的脫鹽效率。20 min內(nèi)平均脫鹽效率如圖6所示。

圖6　濃水流量與脫鹽效率關(guān)系Fig.6　The change of desalting efficiency with flow rate of wastewater in the cathode and anode compartments

由圖6可知，陰、陽(yáng)極室廢水流量增加，脫鹽效率緩慢升高，表明陰、陽(yáng)極室廢水流量增加對(duì)提高脫鹽效率有一定幫助，但不及中間室流量變化對(duì)脫鹽效率的影響明顯。當(dāng)陰、陽(yáng)極室廢水流量增大時(shí)，有利于減輕中間室廢水離子通過(guò)膜傳遞到陰、陽(yáng)極室中的積累，同時(shí)也可以減少陰、陽(yáng)離子在陰、陽(yáng)離子膜兩側(cè)的積累，減輕裝置的極化現(xiàn)象，因此減小了電滲析的阻力，必然有利于電滲析脫鹽效率的增加[21]。

3　結(jié)論

使用自制一級(jí)一段式電滲析裝置處理焦化廠的高鹽、高硬度廢水，考察了運(yùn)行時(shí)間、電壓、中間室流量、以及陰、陽(yáng)極室流量對(duì)電滲析脫鹽效率的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

電滲析脫鹽效率與運(yùn)行時(shí)間成反比，隨著電壓的升高脫鹽效率增大，中間室流量的減小導(dǎo)致脫鹽效率增加，脫鹽效率隨陰、陽(yáng)極室流量的增大而升高。當(dāng)操作電壓為2.8 V，中間室流量為78 mL·h-1，陰、陽(yáng)極室流量為42 mL·h-1，連續(xù)運(yùn)行30和60 min時(shí)的平均脫鹽效率分別為6.7%和6.4%。

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