電滲析在熱電廠反滲透濃水回用中的應(yīng)用

徐淑偉,來(lái)鳳堂,陸秀香,薄文文,李樹(shù)標(biāo)

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 臨沂 276600)

目前,絕大部分熱電廠化學(xué)水制取采用反滲透技術(shù),一般反滲透產(chǎn)水率為75%,同時(shí)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(huì)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(fèi),目前主要用于沖洗多介質(zhì)過(guò)濾器。

相較于反滲透技術(shù),電滲析是在直流電場(chǎng)作用下,利用離子交換膜的選擇透過(guò)性,帶電離子透過(guò)離子交換膜定向遷移從水溶液中分離出來(lái),從而實(shí)現(xiàn)濃縮和淡化溶液的目的[2]。同時(shí),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(diǎn),在環(huán)境、制鹽、食品和化工領(lǐng)域方面具有廣泛應(yīng)用[3-7],但電滲析技術(shù)在熱電廠反滲透濃水的深度處理方面鮮見(jiàn)報(bào)道。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

國(guó)內(nèi)絕大部分熱電廠制取化學(xué)水采用“一級(jí)反滲透+二級(jí)高壓反滲透”的工藝,其流程如圖1所示,一級(jí)反滲透產(chǎn)生的濃水由二級(jí)高壓反滲透回收再利用。實(shí)驗(yàn)用水取自一級(jí)反滲透濃水(電導(dǎo)率1.5～2.3 ms/cm)和二級(jí)高壓反滲透濃水(電導(dǎo)率3.5～4.5 ms/cm)。

圖1 熱電廠化學(xué)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(shè)備

電滲析設(shè)備,山東天維膜技術(shù)有限公司提供。

電滲析循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備包括水箱、水泵、流量計(jì)和壓力表,實(shí)驗(yàn)工作電壓為14 V,電滲析膜堆10對(duì),膜的尺寸為200 mm×600 mm,電滲析陰陽(yáng)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(duì)陰/陽(yáng)離子的選擇透過(guò)性能,在直流電場(chǎng)的作用下,使陰/陽(yáng)離子發(fā)生定向遷移,從而達(dá)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(duì)離子具有選擇透過(guò)性的薄膜,主要分陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜兩種。陽(yáng)膜由于膜體固定基帶有負(fù)電荷離子,可選擇透過(guò)陽(yáng)離子;陰膜由于膜體固定基帶有正電荷離子,可選擇透過(guò)陰離子。淡水室中的陰離子向陽(yáng)極方向遷移,透過(guò)陰膜進(jìn)入濃水室,陽(yáng)離子向陰極方向遷移,透過(guò)陽(yáng)膜進(jìn)入濃水室,濃水室因陰、陽(yáng)離子不斷進(jìn)入而濃度提高,淡水室因陰、陽(yáng)離子不斷移出而使?jié)舛认陆?通過(guò)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(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 一級(jí)反滲透濃水電滲析脫鹽實(shí)驗(yàn)

取熱電廠一級(jí)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(kāi)啟電滲析設(shè)備,測(cè)試電滲析對(duì)一級(jí)反滲透濃水脫鹽及產(chǎn)水情況。

1.3.2 二級(jí)高壓反滲透濃水電滲析脫鹽實(shí)驗(yàn)

取熱電廠二級(jí)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(kāi)啟電滲析設(shè)備,測(cè)試電滲析對(duì)二級(jí)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(cè)定

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

電滲析產(chǎn)水率表達(dá)式為

2 結(jié)果和分析

2.1 電滲析對(duì)一級(jí)反滲透濃水脫鹽效果分析

電滲析對(duì)一級(jí)反滲透濃水脫鹽進(jìn)行了7個(gè)批次的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1,2所示。

表1 電滲析對(duì)一級(jí)反滲透濃水脫鹽后淡化室實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 電滲析對(duì)一級(jí)反滲透濃水脫鹽后濃縮室實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電滲析對(duì)濃鹽水的脫鹽效果與濃鹽水初始電導(dǎo)率、電滲析設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間和流量有關(guān),濃鹽水的初始電導(dǎo)率較低,經(jīng)電滲析脫鹽后電導(dǎo)率也比較低,設(shè)備運(yùn)行時(shí)流量太低容易造成離子交換膜表面結(jié)垢,流量太高脫鹽效果變差,故實(shí)驗(yàn)中設(shè)備運(yùn)行流量設(shè)置為140～200 L/h,同時(shí)也可以通過(guò)延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間確保脫鹽效果。

一級(jí)反滲透淡化室濃水經(jīng)電滲析脫鹽后電導(dǎo)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(jí)反滲透的進(jìn)水使用。電滲析對(duì)一級(jí)反滲透濃水脫鹽率76%～79%,達(dá)到一個(gè)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(jí)反滲透濃水在產(chǎn)水率方面優(yōu)勢(shì)明顯,比二級(jí)高壓反滲透產(chǎn)水率提高30%。

由于電滲析處理一級(jí)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(jí)高壓反滲透回收一級(jí)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(jí)高壓反滲透的化學(xué)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(duì)二級(jí)高壓反滲透濃水脫鹽效果分析

電滲析對(duì)二級(jí)高壓反滲透濃水脫鹽進(jìn)行了7個(gè)批次的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3,4所示。

表3 電滲析對(duì)二級(jí)反滲透濃水脫鹽后淡化室實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 電滲析對(duì)二級(jí)反滲透濃水脫鹽后濃縮室實(shí)驗(yàn)結(jié)果

二級(jí)高壓反滲透淡化室濃水經(jīng)電滲析脫鹽后電導(dǎo)率從初始3.5～4.5 mS/cm降低到1.0 mS/cm左右,電導(dǎo)率稍低于一級(jí)反滲透濃水電導(dǎo)率,可以循環(huán)到到二級(jí)高壓反滲透的進(jìn)水使用。電滲析對(duì)二級(jí)高壓反滲透濃水脫鹽率為71%～79%,同樣達(dá)到一個(gè)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(jí)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(jí)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(jié) 論

由于反滲透設(shè)備技術(shù)局限性,制取化學(xué)水的過(guò)程中會(huì)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(shù)對(duì)一級(jí)反滲透濃水或二級(jí)高壓反滲透濃水的脫鹽率達(dá)到71%～79%,產(chǎn)水率為80%或更高,電滲析對(duì)比反滲透技術(shù)在脫鹽和產(chǎn)水率方面具有明顯優(yōu)勢(shì),因此可以考慮用電滲析代替二級(jí)高壓反滲透回收一級(jí)反滲透的濃水,或在現(xiàn)有二級(jí)高壓反滲透基礎(chǔ)上增加電滲析設(shè)備進(jìn)一步回收二級(jí)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(shù)在反滲透濃水回用方面具有重大意義。