復(fù)循環(huán)雙極膜電滲析處理煤化工含鹽廢水制備酸堿的研究

董 雋, 薛上峰, 劉春紅*, 祁志福, 高強(qiáng)生, 沈江南

(1. 浙江浙能技術(shù)研究院有限公司,杭州 311121; 2. 浙江省工業(yè)新水源工程中心, 杭州 311121; 3. 浙江工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院, 杭州 310014)

雙極膜電滲析(Bipolar membrane electrodialysis,BMED)技術(shù)以傳統(tǒng)電滲析為基礎(chǔ),利用雙極膜獨(dú)特的結(jié)構(gòu)(陰離子交換層、中間層和陽離子交換層),在電場的作用下將H2O解離成H+和OH-,通過與陰陽離子交換膜交替排列,可在不引入其他組分的情況下同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢水脫鹽與酸、堿制備[6].與傳統(tǒng)含鹽廢水處理方法相比,BMED具有能耗低、污染少等優(yōu)點(diǎn),在煤化工等行業(yè)含鹽廢水的處理和資源化中有望發(fā)揮重要作用.

但是,常規(guī)BMED工藝直接應(yīng)用于煤化工含鹽廢水處理尚存在一些難題.由于BMED系統(tǒng)對進(jìn)水水質(zhì)要求極高,因此,廢水需經(jīng)過一系列復(fù)雜的除雜、除硬、除硅、除有機(jī)物等預(yù)處理工藝以滿足進(jìn)水指標(biāo)[7].為了提高BMED系統(tǒng)的效率,經(jīng)過預(yù)處理后的廢水在進(jìn)入雙極膜裝置前往往需要進(jìn)行濃縮,將含鹽量從1%～3%提升至約12%～15%[8-9],但濃縮過程中Ca2+、Mg2+等易結(jié)垢離子濃度也會隨之升高,導(dǎo)致了濃縮后需要進(jìn)行二次除硬,處理成本升高.

較為常見的BMED工藝多為單循環(huán)工藝,即:鹽室初始進(jìn)料的體積和酸、堿室初始液的體積相等,鹽、酸、堿分別循環(huán),直至反應(yīng)結(jié)束后同時(shí)排空鹽室和酸、堿室溶液.與此相比,筆者提出如下新運(yùn)行工藝:通過增加鹽室與酸、堿室的體積比和鹽室循環(huán)次數(shù),從而實(shí)現(xiàn)BMED在低濃度進(jìn)鹽條件下產(chǎn)生高濃度酸、堿.具體為:設(shè)置鹽室初始進(jìn)料的體積大于酸、堿室初始液的體積,進(jìn)行BMED過程;每當(dāng)鹽室溶液濃度下降到一定程度后,將鹽室的進(jìn)水更換為原水溶液,而酸、堿室溶液不進(jìn)行更換,繼續(xù)開始BMED;反復(fù)更換鹽室進(jìn)水,直至完成預(yù)設(shè)的全部鹽室循環(huán)次數(shù).在上述工藝條件下,無需對原水進(jìn)行提濃預(yù)處理即可獲得較高濃度的再生酸、堿.然而,研究表明,BMED過程中的物料遷移受到濃差擴(kuò)散、同離子泄漏與水分子遷移等的制約[10],因此,制得的酸、堿濃度存在上極限,且需要與反應(yīng)能耗、電流效率等進(jìn)一步權(quán)衡,以尋求優(yōu)化方案.

有鑒于此,筆者采用正交實(shí)驗(yàn)法,探究膜堆電壓、鹽/堿(酸)室體積比和鹽室循環(huán)次數(shù)等因素對復(fù)循環(huán)雙極膜電滲析煤化工含鹽廢水的影響,對反應(yīng)程度、再生酸堿濃度、純度、反應(yīng)能耗、電流效率等指標(biāo)開展研究與討論,并得出優(yōu)化工藝條件.研究結(jié)果可為BMED在煤化工廢水的應(yīng)用提供新的工藝方案與研究基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的BMED裝置開展酸、堿制備實(shí)驗(yàn).該裝置主要由膜堆、儲液罐(4個(gè))、循環(huán)泵(4個(gè))、流量計(jì)、直流電源和管路系統(tǒng)等組成.膜堆構(gòu)成方式如圖1所示,膜堆為BP-A-C-BP三隔室構(gòu)型,共含有10組膜,每組膜由1張NEOSEPTA?BP-1E雙極膜,1張AHA陰離子交換膜和1張CMX陽離子交換膜依次排列形成.表1列出了工作中使用的離子交換膜的主要性能參數(shù).單張膜尺寸為27 cm×11 cm,有效面積為189 cm2.相鄰膜之間采用1張厚度0.7 cm的塑料隔板隔開.電極采用鈦涂釕銥材料.

表1 離子交換膜的種類及主要性能參數(shù)Table 1 Membrane types and properties

圖1 雙極膜電滲析膜堆構(gòu)型Fig.1 Membrane stack configuration of bipolar membrane electrodialysis

1.2 實(shí)驗(yàn)原水

本實(shí)驗(yàn)依據(jù)某煤化工公司“預(yù)處理-納濾分鹽”的工藝,以配置的溶液模擬納濾產(chǎn)水作為BMED的原水.模擬納濾產(chǎn)水的成分如表2所示,總含鹽量約2.0%.由于經(jīng)過混凝、除硬、除硅、除有機(jī)物等預(yù)處理,鹽水中Ca2+、Mg2+等雜質(zhì)的含量較低,滿足BMED的進(jìn)水要求.

表2 實(shí)驗(yàn)原水成分Table 2 Wastewater composition used in the experiment 質(zhì)量濃度/(mg·L-1)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用間歇進(jìn)料模式運(yùn)行.使用1.5 L質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的Na2SO4溶液作為極液;鹽室初始進(jìn)料為1.5 L實(shí)驗(yàn)原水溶液;酸、堿室的初始體積相同,初始液為去離子水.實(shí)驗(yàn)過程中膜堆的循環(huán)流量為90 L/h.

實(shí)驗(yàn)采用恒電壓操作,每5 min記錄1次電流、電壓、各儲液罐電導(dǎo)率和體積等變化,并取樣分析.當(dāng)鹽室溶液電導(dǎo)率<1.0 mS/cm或維持平衡狀態(tài)(即在某電導(dǎo)率值維持>10 min且無法繼續(xù)下降)時(shí),認(rèn)為單次循環(huán)反應(yīng)結(jié)束.若實(shí)驗(yàn)工況中包含>1次鹽室循環(huán)次數(shù),則排空鹽室溶液并替換為1.5 L實(shí)驗(yàn)原水(酸、堿室溶液不進(jìn)行更換),并重新按上述步驟進(jìn)行下一次循環(huán)反應(yīng).

采用L16(45)正交實(shí)驗(yàn)表,以膜堆電壓、鹽/堿(酸)室體積比和鹽室循環(huán)次數(shù)作為3因素,每個(gè)因素設(shè)置4水平,具體如表3所示.其中,最高膜堆電壓(28 V)根據(jù)膜堆的極限電流密度而控制;為了盡可能提高產(chǎn)品酸、堿的濃度,將鹽室與酸、堿室的體積比設(shè)置為(2～5)∶1,鹽室循環(huán)次數(shù)設(shè)置為1～4次.實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用極差分析法和方差分析法進(jìn)行比較[11].

表3 正交實(shí)驗(yàn)表Table 3 Orthogonal experiment table

1.4 評價(jià)指標(biāo)

BMED的性能主要由再生酸堿濃度、再生酸堿純度、反應(yīng)能耗、電流效率等作為評價(jià)指標(biāo),分析和計(jì)算方法如下.

(1) 再生酸堿濃度

采用酸堿滴定法測定再生酸、堿的濃度.OH-的濃度采用HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,以甲基橙為指示劑,溶液由黃色變?yōu)槌赛S色判定為滴定終點(diǎn);H+的濃度采用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,以酚酞為指示劑,溶液由無色變?yōu)闇\紅色判定為滴定終點(diǎn).

(2) 再生酸堿純度

(1)

(3) 反應(yīng)能耗

對于每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況,分別計(jì)算每單次循環(huán)反應(yīng)的能耗,以及該工況下的平均反應(yīng)能耗,通過式(2)計(jì)算:

(2)

式中:,EC指反應(yīng)能耗,以堿濃度為計(jì)算基準(zhǔn),即生產(chǎn)1 t OH-所消耗的電量(kWh/t-NaOH);U和I分別指t時(shí)刻膜堆扣除陰陽電極電壓后的電壓(V)和電流(I);Ct和Vt分別指t時(shí)刻產(chǎn)生的OH-濃度(mol/L)和體積(L);C0和V0分別指0時(shí)刻產(chǎn)生的OH-濃度(0 mol/L)和體積(L);M為堿摩爾質(zhì)量,以NaOH計(jì)算(40 g/mol).

(4) 電流效率

(3)

式中:CE指電流效率(%);Z指離子化合價(jià);F指法拉第常數(shù)(96 485 C/mol);N指膜堆單元數(shù)(10).對于每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況,分別計(jì)算每單次循環(huán)反應(yīng)的電流效率,以及該工況下的平均電流效率.

2 結(jié)果與討論

正交實(shí)驗(yàn)的16個(gè)反應(yīng)工況條件及實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總于表4.

表4 正交實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果匯總Table 4 Summary of orthogonal experimental conditions and results

2.1 反應(yīng)程度分析

由表4可知,在16個(gè)設(shè)計(jì)工況中,只有11個(gè)工況下鹽離子可完全由鹽室遷移至酸、堿室,而N2、N3、N8、N12和N14工況下鹽離子無法完全遷移.以N14的反應(yīng)過程為例進(jìn)行分析(圖2).隨著鹽室循環(huán)次數(shù)的增加,鹽室電導(dǎo)率的下降速率隨循環(huán)次數(shù)的增加逐漸變緩,鹽室第3次循環(huán)的反應(yīng)耗時(shí)比第1次、第2次高33%,而當(dāng)循環(huán)反應(yīng)進(jìn)行至第4次時(shí),鹽室電導(dǎo)率下降至24 mS/cm后無法進(jìn)一步降低.相應(yīng)地,堿室和酸室電導(dǎo)率的增速逐漸變緩,鹽室第1次、第2次、第3次和第4次循環(huán)時(shí),堿室電導(dǎo)率的增速分別為8.7、5.3、2.4和1.9 mS/(cm·min),堿室和酸室的濃度分別達(dá)2.0和1.6 mol/L后保持穩(wěn)定,無法進(jìn)一步增加.造成鹽離子反應(yīng)無法完全遷移的原因主要可歸因于兩方面:(1)文獻(xiàn)表明,濃差擴(kuò)散作用對BMED的傳質(zhì)過程具有較大影響[12],隨著鹽室循環(huán)次數(shù)的增加,酸室和堿室的溶液濃度不斷增大,與鹽室的濃差擴(kuò)散作用加強(qiáng),產(chǎn)生的酸液和堿液由于分子擴(kuò)散反遷入鹽室,一定程度上抵消了離子的電遷移過程.(2)離子交換膜的非理想選擇透過性導(dǎo)致出現(xiàn)同名離子遷移現(xiàn)象[13],尤其是陰離子交換膜的“漏氫”現(xiàn)象,導(dǎo)致H+由酸室遷入鹽室,使雙極膜水解離產(chǎn)生的H+和OH-減少.此時(shí)雖然鹽室中仍有未遷移的鹽離子,但酸、堿室的濃度趨于穩(wěn)定,鹽離子遷移過程無法繼續(xù).圖2(e)中堿室體積在第4次循環(huán)反應(yīng)時(shí)顯著增加,這一方面是由于鹽堿室的濃度差加大,導(dǎo)致水從鹽室向堿室的遷移速率加快;另一方面,在反應(yīng)后期H+在和Na+競爭陽膜遷移通道中占優(yōu)[14],H+大量泄漏并進(jìn)一步遷移至堿室,阻礙了堿濃度的進(jìn)一步提高.

圖2 實(shí)驗(yàn)序號N14反應(yīng)過程中(a)鹽室電導(dǎo)率、(b)堿室電導(dǎo)率、(c)酸室電導(dǎo)率、(d)電流、(e)堿室體積、(f)酸室體積的變化情況Fig.2 Experimental N14 reaction process (a) conductivity of salt chamber, (b) conductivity of base chamber, (c) conductivity of acid chamber, (d) current, (e) volume of base chamber, (f) volume of acid chamber

對比N2、N3、N8、N12和N14等5個(gè)鹽離子無法安全遷移的反應(yīng)工況,發(fā)現(xiàn)膜堆電壓越低、鹽/堿(酸)室體積比越大、鹽室循環(huán)次數(shù)越多,越不利于BMED的進(jìn)行.因此,設(shè)計(jì)BMED運(yùn)行方案時(shí)應(yīng)合理控制上述因素,在盡可能提高酸、堿濃度的同時(shí)確保反應(yīng)可以高效進(jìn)行.

2.2 再生酸堿濃度

不同反應(yīng)工況下再生酸、堿濃度如表4所示.各工況下堿濃度的范圍為0.630～2.016 mol/L,酸濃度的范圍為0.466～1.609 mol/L,同一工況中酸濃度低于堿濃度,表明H+透過陰膜發(fā)生泄漏,導(dǎo)致了酸室濃度的降低[15].

酸濃度和堿濃度的極差分析和方差分析分別如表5和表6所示.極差分析結(jié)果表明,3個(gè)因素對于再生酸、堿濃度的作用主次均為:鹽室循環(huán)次數(shù)>膜堆電壓>鹽堿(酸)室體積比.就鹽室循環(huán)次數(shù)的影響而言,該因素各水平下的影響結(jié)果(k2>k3>k1>k4)表明鹽室循環(huán)次數(shù)的最優(yōu)水平為3次.這是因?yàn)殡S著鹽室循環(huán)次數(shù)的增加,鹽室中所遷移的鹽離子的總量增加,因而所產(chǎn)生的酸、堿濃度升高;而當(dāng)循環(huán)次數(shù)進(jìn)一步增加為4次時(shí),由于濃差擴(kuò)散導(dǎo)致鹽離子的遷移難以持續(xù)進(jìn)行(如,鹽室循環(huán)次數(shù)為4次的工況中N3,N8和N14工況鹽離子均無法完全遷移),酸、堿濃度無法進(jìn)一步提高.就膜堆電壓的影響而言,該因素各水平下的影響結(jié)果(k4>k3>k2>k1)表明膜堆電壓的最優(yōu)水平為28 V.這是因?yàn)樘岣唠妷河欣陔妶隽Φ脑黾覽16],BMED的傳質(zhì)推動力增加,反應(yīng)速率加快,反應(yīng)時(shí)間縮短,同離子泄漏和濃差擴(kuò)散的總量較少,使產(chǎn)生的酸堿濃度有所提高.而就鹽/堿(酸)室體積比的影響而言,該因素各水平下的影響結(jié)果(k4>k3>k2>k1)表明體積比的最優(yōu)水平為5∶1.這是由于鹽/堿(酸)室的體積比越大,在實(shí)驗(yàn)設(shè)定工況下酸、堿室的初始液越少,因而當(dāng)遷移相同質(zhì)量濃度的鹽溶液時(shí)所獲的酸、堿濃度越高.綜合而言,以再生酸、堿濃度為目標(biāo)時(shí),BMED工況的最優(yōu)組合為:膜堆電壓28 V,鹽/堿(酸)室體積比5∶1,鹽室循環(huán)次數(shù)3次.

表5 正交實(shí)驗(yàn)中再生酸濃度的極差分析和方差分析Table 5 Range analysis and variance analysis of acid concentration in orthogonal experiments

表6 正交實(shí)驗(yàn)中再生堿濃度的極差分析和方差分析Table 6 Range analysis and variance analysis of base concentration in orthogonal experiments

由方差分析的F比結(jié)果可知,對酸濃度而言,鹽室循環(huán)次數(shù)和膜堆電壓的F比>4.760(F臨界值),表明鹽室循環(huán)次數(shù)和膜堆電壓對酸濃度具有顯著影響;同理,鹽室循環(huán)次數(shù)對堿濃度具有顯著影響.方差分析結(jié)果與極差分析結(jié)果一致,表明鹽室循環(huán)次數(shù)是影響酸、堿濃度的最重要因素.

2.3 再生酸堿純度

由表7鹽酸純度的極差分析表明,膜堆電壓、鹽/堿(酸)室體積比和鹽室循環(huán)次數(shù)的極差R值差別不大,3個(gè)因素中鹽室循環(huán)次數(shù)的極差略高,表明其對再生鹽酸純度的影響高于其余2因素.方差分析進(jìn)一步表明,3個(gè)因素對鹽酸純度的影響均不顯著,且存在較大誤差值.

表7 正交實(shí)驗(yàn)中鹽酸純度的極差分析和方差分析Table 7 Range analysis and variance analysis of hydrochloric acid purity in orthogonal experiments

2.4 反應(yīng)能耗

由表4可知,不同工況下的反應(yīng)能耗范圍為1 830～6 810 kWh/t-NaOH.進(jìn)一步進(jìn)行極差分析和方差分析,由表8結(jié)果可知,各因素對反應(yīng)能耗的極差值大小的排序?yàn)?鹽/堿(酸)室體積比>膜堆電壓>鹽室循環(huán)次數(shù).具體結(jié)合各因素不同水平的均值k(實(shí)驗(yàn)中能耗指標(biāo)越小越好),以及結(jié)合鹽室離子遷移的程度,得出因素A膜堆電壓的最優(yōu)水平為20 V,因素B鹽/堿(酸)室體積比的最優(yōu)水平為2∶1,因素C鹽室循環(huán)次數(shù)的最優(yōu)水平為1次.值得注意的是,雖然表8顯示因素C鹽室循環(huán)次數(shù)以第3個(gè)水平(即4次)為最優(yōu)(k3

表8 正交實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)能耗的極差分析和方差分析Table 8 Range analysis and variance analysis of energy consumption in orthogonal experiments

以實(shí)驗(yàn)序號N5(20 V,2∶1,3次)、N13(28 V,2∶1,1次)和N7(20 V,4∶1,1次)為例,對BMED的反應(yīng)能耗進(jìn)行分析.圖3中N5的能耗值表明,隨著鹽室循環(huán)次數(shù)的增加,能耗顯著遞增.根據(jù)能耗的計(jì)算式(2),能耗主要受到膜堆電壓、電流以及制得的NaOH產(chǎn)量的影響.由于酸、堿室的初始液為去離子水,在反應(yīng)初期,酸、堿室中離子濃度較低,能夠負(fù)載電荷遷移的離子較少,酸、堿室電阻成為膜堆整體電阻的決定因素,膜堆整體電阻較高,因而在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的恒壓模式下,電流以較低值工作,能耗較低.隨著鹽室循環(huán)次數(shù)的增加,酸、堿室中離子濃度不斷升高,使膜堆整體電阻降低,電流升高,因此能耗隨循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增加.而另一方面,隨著鹽室循環(huán)次數(shù)的增加,酸、堿室中溶液濃度不斷升高,其和鹽室之間的濃度梯度增強(qiáng)了濃差擴(kuò)散現(xiàn)象,H+、OH-和鹽離子反向遷移的現(xiàn)象加劇,導(dǎo)致反應(yīng)速率降低,單位時(shí)間內(nèi)堿室NaOH的生成量減少,進(jìn)一步增加了能耗.

圖3 實(shí)驗(yàn)序號N5、N13和N7反應(yīng)過程中能耗和電流效率的變化情況Fig.3 Chang of energy consumption and current efficiency of experimental N5, N13 and N7

對比N5第1次循環(huán)反應(yīng)的能耗(1 401.13 kWh/t-NaOH)和N13的能耗(2 416.26 kWh/t-NaOH),二者的反應(yīng)工況除膜堆電壓外均保持相同,但后者的能耗比前者高72%.一方面,由前述分析指出,這是由于反應(yīng)能耗隨著電壓的增加而顯著增加;另一方面,這是由于增加膜堆電壓時(shí)電場驅(qū)動力增強(qiáng),根據(jù)焦耳定律,離子遷移穿膜時(shí)用于克服膜堆電阻而產(chǎn)生的熱量增加[9],從而增加了反應(yīng)能耗.

對比N5第1次循環(huán)反應(yīng)的能耗(1 401.13 kWh/t-NaOH)和N7的能耗(3 537.86 kWh/t-NaOH),后者是前者的2.5倍.其原因主要是因?yàn)镹7工況下鹽/堿(酸)室的體積比高于N5工況,單位時(shí)間內(nèi)酸、堿室溶液的濃度增速較快.隨著BMED的運(yùn)行,鹽室和酸、堿室之間的濃度梯度增長迅速,在較高的膜兩側(cè)濃差下,由濃差擴(kuò)散引起的離子反向遷移以及H+和OH-離子的同名離子遷移現(xiàn)象加劇.上述原因?qū)е铝薔7工況下鹽離子遷移的速率降低,反應(yīng)時(shí)間增加.由能耗的計(jì)算式(2)可知,能耗隨鹽/堿(酸)室體積比的增加而增加.因此,設(shè)計(jì)BMED運(yùn)行方案時(shí)應(yīng)合理控制鹽/堿(酸)室體積比,以防止系統(tǒng)能耗過高,經(jīng)濟(jì)性降低.

2.5 電流效率

表4表明不同工況下電流效率的范圍為15.62%～66.55%,不同工況的電流效率差異較大.電流效率最高的N13工況比電流效率最低的N4工況高4.3倍.表9極差分析結(jié)果顯示,各因素作用主次為:鹽/堿(酸)室體積比>鹽室循環(huán)次數(shù)>膜堆電壓.進(jìn)一步結(jié)合方差分析結(jié)果,表明鹽/堿(酸)室體積比是影響電流效率的最主要因素.以電流效率為評價(jià)指標(biāo),較優(yōu)的BMED工況為膜堆電壓28 V,鹽/堿(酸)室體積比2∶1,鹽室循環(huán)次數(shù)1次.

表9 正交實(shí)驗(yàn)中電流效率的極差分析和方差分析Table 9 Range analysis and variance analysis of current efficiency in orthogonal experiments

BMED酸、堿制備過程中的電流效率代表了通過膜堆的電流中實(shí)際用于離子遷移的電流分?jǐn)?shù).文獻(xiàn)報(bào)道表明[19],其主要取決于離子交換膜的同名離子遷移速率.對比圖3中N5、N13和N7的電流效率的結(jié)果顯示,與反應(yīng)能耗的變化趨勢相同,增加鹽/堿(酸)室體積比和鹽室循環(huán)次數(shù)均使電流效率顯著降低.如上分析知,這主要是由于酸、堿室和鹽室之間濃度梯度的增加加劇了濃差擴(kuò)散和H+和OH-的泄漏,從而導(dǎo)致了電流效率的下降.而隨著膜堆電壓的升高,離子的遷移速率加快,電流效率提高[20],如實(shí)驗(yàn)序號N13的電流效率(66.55%)比N5的總電流效率(46.14%)高44%.雖然提高膜堆電壓會使H+和OH-的泄漏略有加劇(如圖3所示,N13的電流效率比N5第1次循環(huán)反應(yīng)的電流效率略低),但總體而言,適當(dāng)提高膜堆電壓有利于電流效率的提高.

2.6 反應(yīng)工況優(yōu)化

綜合以上分析,鹽室循環(huán)次數(shù)是影響酸、堿濃度的最顯著因素,鹽/堿(酸)室體積比是影響反應(yīng)能耗和電流效率的最顯著因素.結(jié)合各因素的最優(yōu)水平,綜合得出較優(yōu)的BMED反應(yīng)工況為:A4B1C2,即膜堆電壓28 V,鹽/堿(酸)室體積比2∶1,鹽室循環(huán)次數(shù)3次.該工況下復(fù)循環(huán)BMED的反應(yīng)性能如表10所示.在該優(yōu)化工況下,堿濃度達(dá)1.348 mol/L,酸濃度達(dá)1.064 mol/L,制得的酸、堿適合回用于系統(tǒng)內(nèi)部,如膜化學(xué)清洗、系統(tǒng)酸堿調(diào)整、離子交換樹脂再生等[21],從而節(jié)省藥劑費(fèi).值得注意的是,本研究中使用的NEOSEPTA?AHA陰離子交換膜為非阻酸型.后續(xù)工藝優(yōu)化中可考慮采用對氫離子具有阻擋性能的陰離子交換膜,如NEOSEPTA?ACM,則推測制得的酸、堿濃度可得到進(jìn)一步提高.設(shè)置基準(zhǔn)工況為:膜堆電壓28 V,鹽/堿(酸)室體積比1∶1,鹽室循環(huán)次數(shù)1次.該工況代表了較為常見的BMED工藝,即鹽堿(酸)室等體積、單循環(huán).由表10中優(yōu)化工況與基準(zhǔn)工況的對比可見,基準(zhǔn)工況下堿濃度僅為0.277 mol/L,酸濃度僅為0.213 mol/L,酸、堿需經(jīng)過提濃處理后才具有利用價(jià)值.優(yōu)化工況與基準(zhǔn)工況的處理能力和酸、堿產(chǎn)率相差不大,進(jìn)一步表明,通過提高一定的鹽/堿(酸)室體積比和鹽室循環(huán)次數(shù)從而生產(chǎn)較高濃度酸堿的BMED工藝路線對廢水處理能力的影響不大,工藝可行.而對比2個(gè)工況下的反應(yīng)能耗,優(yōu)化工況下的能耗比基準(zhǔn)工況高約61%.但若綜合考慮整體集成工藝系統(tǒng),由于基準(zhǔn)工況下的酸堿濃度過低,若要提高其利用價(jià)值,則需采用多效蒸發(fā)器、膜蒸餾等工藝進(jìn)一步濃縮溶液[22-23].而濃縮工藝的能耗往往較高,且系統(tǒng)與設(shè)備的復(fù)雜度也同時(shí)增加.因此,綜合考慮整體系統(tǒng)而言,雖然優(yōu)化工況下BMED的能耗高于基準(zhǔn)工況,但其優(yōu)勢在于可以避免后續(xù)酸、堿提濃處理所產(chǎn)生的能耗.

表10 正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化工況與基準(zhǔn)工況的反應(yīng)性能對比分析Table 10 Comparison of reaction performance between optimized condition and reference condition

3 結(jié)論

利用雙極膜電滲析技術(shù),以模擬配置的煤化工含鹽廢水為原料,探討膜堆電壓、鹽/堿(酸)室體積比和鹽室循環(huán)次數(shù)等因素對制備較高濃度酸、堿的影響.正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,膜堆電壓28 V,鹽/堿(酸)室體積比2∶1,鹽室循環(huán)次數(shù)3次為優(yōu)化工況,該條件下堿濃度1.3 mol/L,酸濃度1.0 mol/L,反應(yīng)能耗3 785 kWh/t-NaOH,電流效率50%.制得的酸、堿可回用于系統(tǒng)內(nèi)部膜化學(xué)清洗、系統(tǒng)酸堿調(diào)整等工藝,為實(shí)現(xiàn)煤化工含鹽廢水零排放提供新途徑.