基于雙極膜電滲析的礦井濃鹽水資源化處理工藝研究

晉銀佳，王紹曾，郭 棟，尤良洲，衡世權(quán)

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江杭州 310030； 2.中國(guó)華能集團(tuán)有限公司，北京 100031）

煤礦礦井水通常具有較高的硬度和含鹽量，如若直接排放容易導(dǎo)致土壤鹽堿化，因此礦井水的處理回用乃至零排放處理是煤礦環(huán)保工作的重點(diǎn)〔1〕。近年來(lái)，礦井水等高鹽廢水的零排放處理已經(jīng)有了較多的工程應(yīng)用〔1-6〕，取得了顯著的社會(huì)環(huán)境效益。不過(guò)，由于礦井水水量較大，其零排放處理工藝系統(tǒng)極為復(fù)雜，由此導(dǎo)致系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本較高〔4-6〕，而產(chǎn)生的結(jié)晶鹽主要為硫酸鈉，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低，并且在部分地區(qū)難以全部銷(xiāo)售。利用雙極膜電滲析工藝（Bipolar membrane electric dialysis，BMED），將經(jīng)過(guò)多級(jí)濃縮處理后的礦井水轉(zhuǎn)化為一定濃度的酸和堿進(jìn)行回用，一方面能夠減少進(jìn)入后續(xù)蒸發(fā)結(jié)晶裝置的濃鹽水量，另一方面產(chǎn)生的酸和堿能夠在礦井水預(yù)處理環(huán)節(jié)進(jìn)行回用，降低系統(tǒng)運(yùn)行的藥劑成本，因此近年來(lái)得到了較多的關(guān)注和研究〔7-12〕。

目前，BMED用于濃鹽水資源化處理的研究多是采用配水進(jìn)行〔10〕，水質(zhì)與經(jīng)過(guò)濃縮處理后的礦井水差別很大，因此系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)優(yōu)化對(duì)于實(shí)際工程的指導(dǎo)意義較弱。礦井水水質(zhì)波動(dòng)頻繁，并且經(jīng)過(guò)多級(jí)濃縮處理后的濃鹽水成分較為復(fù)雜，采用礦井水零排放處理系統(tǒng)運(yùn)行中的實(shí)際水樣進(jìn)行BMED裝置運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化更具工程應(yīng)用意義。本研究以某礦井水零排放處理系統(tǒng)中兩級(jí)反滲透（Reverse osmosis，RO）-納濾（Nano-filtration，NF）環(huán)節(jié)和碟管式反滲透（Disctube reverse osmosis，DTRO）環(huán)節(jié)產(chǎn)生的濃鹽水為處理對(duì)象，采用BMED工藝對(duì)其進(jìn)行處理，研究了不同初始酸/堿濃度、不同電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同電流密度對(duì)BMED系統(tǒng)運(yùn)行的影響，優(yōu)化了BMED系統(tǒng)處理礦井濃鹽水的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)比分析了NF系統(tǒng)產(chǎn)生的濃鹽水采用BMED工藝進(jìn)行資源化處理的成本和采用DTRO-機(jī)械蒸汽再壓縮處理（Mechanical vapor recompression，MVR）工藝進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶零排放處理的成本，評(píng)估了BMED技術(shù)用于濃鹽水資源化處理的經(jīng)濟(jì)性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及原水

實(shí)驗(yàn)試劑：鹽酸、硫酸，分析純，購(gòu)自成都市科隆化學(xué)品有限公司；氫氧化鈉，分析純，購(gòu)自天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；酚酞指示劑，購(gòu)自天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；氯化鋇，分析純，購(gòu)自天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開(kāi)發(fā)有限公司；甲基紅，分析純，購(gòu)自天津市天新精細(xì)化工開(kāi)發(fā)中心；去離子水，實(shí)驗(yàn)室自制，電導(dǎo)率22.5 μS/cm。

實(shí)驗(yàn)原水取自某礦井水零排放處理系統(tǒng)中兩級(jí)RONF系統(tǒng)和DTRO系統(tǒng)產(chǎn)生的濃鹽水，濃鹽水中硫酸鈉質(zhì)量濃度分別約為5.23×104、1.04×105mg/L，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約5%、10%。其他主要水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)原水水質(zhì)分析結(jié)果Table 1 Water quality analysis results in the experiments

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

采用購(gòu)自杭州藍(lán)然環(huán)境技術(shù)有限公司的EX-3BT 型雙極膜電滲析裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，裝置示意見(jiàn)圖1。KEITHLEY 2460 Source Meter 源表用于實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行電壓和電流，WANPTEK NPS605W 直流電源提供穩(wěn)壓電源。雙極膜電滲析裝置配套有均相陽(yáng)膜、均相陰膜、雙極膜，有效膜面積75 mm×195 mm，膜對(duì)數(shù)10 對(duì)，處理量500～1 000 mL/h。實(shí)驗(yàn)時(shí)，極液罐和鹽液罐內(nèi)分別加入1.5 L NF 系統(tǒng)濃鹽水或DTRO系統(tǒng)濃鹽水，在酸液罐和堿液罐中各加入1.5 L 去離子水或相應(yīng)濃度的初始酸/堿液。打開(kāi)BMED 的電源，在4 個(gè)物料輸送泵驅(qū)動(dòng)下，4 個(gè)儲(chǔ)水室中的溶液循環(huán)流動(dòng)30 min，排除裝置中原有氣泡降低膜堆電阻，并對(duì)4 個(gè)儲(chǔ)液罐進(jìn)行密閉處置（除取樣外），以減少酸溶液的揮發(fā)和堿溶液與空氣的接觸。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experiment equipment

實(shí)驗(yàn)所使用的BMED 為三隔室型結(jié)構(gòu)，離子交換膜的排列方式為雙極膜-陽(yáng)膜-陰膜-雙極膜，膜單元運(yùn)行過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 膜單元運(yùn)行示意Fig.2 Schematic diagram of membrane unit operation

如圖2 所示，每個(gè)膜單元由“陽(yáng)膜-陰膜-雙極膜”組成，在直流電場(chǎng)作用下，陰離子透過(guò)陰離子交換膜、陽(yáng)離子透過(guò)陽(yáng)離子交換膜分別往正負(fù)極方向移動(dòng)。在膜堆的兩端加上電壓之后，雙極膜中間層的水分子解離成H+和OH-分別向酸室和堿室移動(dòng)，鹽室內(nèi)SO42-通過(guò)陰膜向陽(yáng)極移動(dòng)，在酸室形成H2SO4，而Na+通過(guò)陽(yáng)膜向陰極移動(dòng)，在堿室形成NaOH，最終，系統(tǒng)運(yùn)行可以得到酸、堿以及脫鹽水3 種產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每隔10 min 讀取電壓值并記錄；每隔20 min 在酸、堿儲(chǔ)液罐中分別取3、10 mL 水樣，采用滴定法測(cè)定產(chǎn)生的酸、堿濃度，參照式（1）計(jì)算制備酸、堿的電流效率。

式中：η——電流效率；

z——離子化合價(jià)；

Ct——酸/堿室中酸/堿在t時(shí)刻的濃度，mol/L；

Vt——酸/堿室中酸/堿溶液在t時(shí)刻的體積，L；

C0——酸/堿室中酸/堿在0 時(shí)刻的濃度，mol/L；

V0——酸/堿室中酸/堿溶液在0 時(shí)刻的體積，L；

F——法拉第常數(shù)，C/mol；

N——膜堆單元數(shù)；

I——膜堆電流，A；

t——實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間，h。

2 結(jié)果與討論

2.1 初始酸/堿濃度對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響

以NF 濃鹽水為處理對(duì)象，固定電流密度為21 mA/cm2，設(shè)置初始酸（以H+計(jì)，即酸的濃度為硫酸濃度的2 倍，以下同）、堿濃度為0、0.1、0.2、0.3 mol/L 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了不同初始酸/堿濃度下BMED 運(yùn)行電壓、所產(chǎn)酸/堿濃度隨時(shí)間的變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 不同初始酸/堿濃度下運(yùn)行電壓變化情況Fig.3 Operation voltage variations under different initial acid/alkali concentrations

圖4 不同初始酸/堿濃度下系統(tǒng)所產(chǎn)酸/堿濃度變化情況Fig.4 Concentration variations of acid/alkali produced by the system under different initial acid/alkali concentrations

如圖3 所示，在不同初始酸/堿濃度下，BMED 系統(tǒng)的運(yùn)行電壓隨時(shí)間延長(zhǎng)均出現(xiàn)先下降后升高的情況。在系統(tǒng)運(yùn)行初期，BMED 裝置內(nèi)的電解質(zhì)濃度較低，可導(dǎo)電離子濃度較低，系統(tǒng)運(yùn)行電阻較大，電壓較高。隨著系統(tǒng)中產(chǎn)生的導(dǎo)電離子濃度升高，系統(tǒng)電阻逐漸下降，在維持電流密度穩(wěn)定的情況下，系統(tǒng)運(yùn)行電壓也逐漸下降〔13〕；而后隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，BMED 系統(tǒng)內(nèi)的酸/堿濃度進(jìn)一步增加，可移動(dòng)導(dǎo)電離子濃度較高，系統(tǒng)電阻不再有明顯增加，運(yùn)行電壓保持穩(wěn)定狀態(tài)；隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，BMED 系統(tǒng)內(nèi)的酸/堿濃度明顯升高而鹽室電解質(zhì)不斷消耗使得其濃度顯著下降，鹽室電阻增加導(dǎo)致系統(tǒng)整體電阻急劇升高，系統(tǒng)運(yùn)行電壓也隨之上升。

由圖3 還可知，初始酸/堿濃度越高，電壓穩(wěn)定的時(shí)間越短。這是由于初始酸/堿濃度越高，BMED內(nèi)電解質(zhì)濃度越高，導(dǎo)電性能越好，溶液的電阻下降越快。在輸出電流恒定情況下，電壓隨溶液電阻變化而變化，因此BMED 中電化學(xué)反應(yīng)速度越快，電壓穩(wěn)定的時(shí)間越短。當(dāng)初始酸/堿濃度為0 時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行電壓明顯高于其他初始酸/堿濃度的工況；而初始酸/堿濃度為0.1 mol/L 時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行電壓略高于初始酸/堿濃度為0.2、0.3 mol/L 的工況；初始酸/堿濃度為0.2、0.3 mol/L 時(shí)，電壓差別不大。此外，受初始酸/堿濃度對(duì)膜堆總體電阻的影響，初始酸/堿濃度越大，運(yùn)行期內(nèi)電壓下降幅度越小。

圖4 所示為不同初始酸/堿濃度條件下，BMED運(yùn)行中所產(chǎn)酸/堿濃度的變化。由圖4 可知，隨反應(yīng)進(jìn)行，所產(chǎn)酸/堿濃度逐漸增加，在運(yùn)行時(shí)間為100 min時(shí)，不同初始酸/堿濃度工況下所產(chǎn)酸或堿濃度相近，分別維持在1.1、1.2 mol/L 左右，之后酸/堿濃度進(jìn)一步增加，待系統(tǒng)運(yùn)行200 min 后，由于酸、堿室生成H2SO4、NaOH 濃度的增加，鹽室的電解質(zhì)濃度降低，濃差極化作用增強(qiáng)，酸室和堿室中同名離子反向遷移加劇，酸/堿濃度趨近平衡狀態(tài)，酸濃度維持在1.40～1.65 mol/L，堿濃度維持在1.50～1.85 mol/L。由圖4 還可知，在初始酸/堿濃度為0、0.1、0.2 mol/L 時(shí)，初始酸/堿濃度越低，酸/堿濃度的增加速度越快，初始酸/堿濃度為0.1 mol/L 時(shí)最終得到的酸、堿濃度最高，分別達(dá)到1.64、1.85 mol/L。究其原因，在較高的初始酸/堿濃度下，H+和OH-的泄漏現(xiàn)象明顯，并且酸/堿濃度越高產(chǎn)生的滲透壓越大，阻礙了系統(tǒng)中水分子的遷移從而抑制了水分子被電解形成H+和OH-的過(guò)程，導(dǎo)致酸/堿生成速度較低〔8〕。另外，BMED 運(yùn)行過(guò)程中，酸的濃度低于堿的濃度，這是因?yàn)镠+相對(duì)于OH-更容易透過(guò)離子交換膜而泄漏，導(dǎo)致最終產(chǎn)生的酸濃度相對(duì)較低〔14〕。

本研究計(jì)算分析了不同初始酸/堿濃度下，BMED 運(yùn)行電流效率的變化，相關(guān)數(shù)據(jù)均采用系統(tǒng)運(yùn)行240 min 時(shí)的取值，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同初始酸/堿濃度下電流效率變化情況Fig.5 Current efficiency variations under different initial acid/alkali concentrations

由圖5 可知，在初始酸/堿濃度為0.1 mol/L 時(shí)，產(chǎn)酸/堿電流效率均達(dá)到最高值。當(dāng)初始酸/堿濃度為0 時(shí)，BMED 運(yùn)行的電阻和膜堆電壓較高（見(jiàn)圖3），系統(tǒng)運(yùn)行能耗較高，此時(shí)反應(yīng)體系中H+和OH-的濃度極低，在電場(chǎng)作用下其他離子遷移占據(jù)優(yōu)勢(shì)，因此電流效率較低；初始酸/堿濃度增加到0.1 mol/L 時(shí)，BMED 運(yùn)行的電阻和膜堆電壓大幅下降，并與其他初始酸/堿濃度工況下運(yùn)行電壓相近，反應(yīng)體系中H+和OH-的濃度較高，并且由于H+和OH-相較于其他的陽(yáng)離子（Na+）和陰離子（SO42-）更容易遷移，使得此時(shí)的電流效率較高；而隨著初始酸/堿濃度的進(jìn)一步升高，H+和OH-的濃度同步升高，其透過(guò)離子交換膜發(fā)生泄漏的比例逐漸增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行的電流效率有所下降〔14〕。

綜上，根據(jù)不同初始酸/堿濃度下BMED 的運(yùn)行電壓、酸/堿濃度以及電流效率情況，在初始酸/堿濃度為0.1 mol/L 時(shí)，BMED 的運(yùn)行電壓相對(duì)較低，能耗相對(duì)較低，酸/堿濃度和電流效率處于最高水平，因此在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中將初始酸/堿濃度設(shè)置為0.1 mol/L。

2.2 電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響

以NF 濃鹽水（電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5%）和DTRO 濃鹽水（電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%）為處理對(duì)象，固定電流密度為21 mA/cm2，設(shè)置初始酸、堿濃度均為0.1 mol/L 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了不同電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下BMED 運(yùn)行電壓、酸/堿濃度隨時(shí)間的變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 不同電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下運(yùn)行電壓變化情況Fig.6 Operation voltage variations under different electrolyte mass fractions

圖7 不同電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下酸/堿濃度變化情況Fig.7 Concentration variations of acid/alkali under different electrolyte mass fractions

由圖6 可知，在兩種電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，BMED系統(tǒng)的運(yùn)行電壓隨時(shí)間延長(zhǎng)均呈現(xiàn)先下降后平穩(wěn)再急劇上升的趨勢(shì)，其原因是隨著電解反應(yīng)的進(jìn)行，BMED 反應(yīng)體系中的酸/堿濃度逐漸升高，導(dǎo)電離子濃度升高進(jìn)而膜堆電阻下降，系統(tǒng)運(yùn)行電壓下降；隨著電解時(shí)間延長(zhǎng)，反應(yīng)體系中導(dǎo)電離子濃度足夠高，膜堆電阻保持穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行電壓隨之穩(wěn)定；而后隨著電解反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇下降導(dǎo)致膜堆電阻急劇上升，從而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行電壓出現(xiàn)急劇上升。需要說(shuō)明的是，電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的工況下，膜堆電阻相對(duì)較小，系統(tǒng)運(yùn)行電壓較低，系統(tǒng)運(yùn)行能耗相對(duì)較低，不過(guò)兩者的系統(tǒng)電壓差別不大，差值維持在1～2 V 之間。

由圖7 可知，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種工況下酸/堿濃度均快速增加并在大約220 min 后趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)殡S著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，遷移到酸/堿室中的鹽離子減少，不再產(chǎn)生新的酸/堿。總體上看，電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的工況下酸/堿濃度增加較快，這可能是由于在較高的電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，H+和OH-透過(guò)離子交換膜受到其他陽(yáng)離子（Na+）和陰離子（SO42-）競(jìng)爭(zhēng)的影響更為激烈，產(chǎn)生酸/堿的過(guò)程受到的干擾較大，導(dǎo)致酸/堿的生成速度有所降低。

2.3 電流密度對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響

以NF 濃鹽水為處理對(duì)象，控制電流密度分別為7、14、21、28 mA/cm2，設(shè)置初始酸、堿濃度均為0.1 mol/L 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了不同電流密度下BMED 系統(tǒng)運(yùn)行電壓、酸/堿濃度隨時(shí)間的變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 不同電流密度下運(yùn)行電壓變化情況Fig.8 Operation voltage variations under different current densities

圖9 不同電流密度下酸/堿濃度變化情況Fig.9 Concentration variations of acid/alkali under different current densities

由圖8 可知，BMED 系統(tǒng)運(yùn)行電壓隨著電流密度的增加而增加，且隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng)，系統(tǒng)運(yùn)行電壓均出現(xiàn)先下降后平穩(wěn)再急劇上升的趨勢(shì)，其原因已在前文進(jìn)行了論述。值得說(shuō)明的是，系統(tǒng)運(yùn)行電流密度越大，系統(tǒng)運(yùn)行電壓穩(wěn)定期越短，這是由于在較高的電流密度下電解過(guò)程進(jìn)行較快，電解質(zhì)被快速電解并形成酸和堿，電解質(zhì)濃度快速下降，膜堆電阻快速升高，系統(tǒng)運(yùn)行電壓也隨之快速升高。

不同電流密度下BMED 裝置運(yùn)行所產(chǎn)酸/堿濃度變化情況分別如圖9（a）、圖9（b）所示，隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng)，不同電流密度下BMED 系統(tǒng)的酸/堿濃度均不斷增大，電流密度越大，酸/堿濃度增加速度越快，并且酸/堿濃度達(dá)到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間越短。系統(tǒng)運(yùn)行電流密度越大，離子遷移速度越快，電化學(xué)反應(yīng)速度越快，電解質(zhì)轉(zhuǎn)化為酸/堿的速度也越快，因此酸/堿濃度的增加速度隨著電流密度的增加而增大，電解質(zhì)轉(zhuǎn)化為酸/堿的速度也越大，電解質(zhì)完成電解轉(zhuǎn)化所需的時(shí)間也越短。隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)電解質(zhì)濃度不斷降低，電解質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生酸/堿的速度也逐漸下降。此外，當(dāng)電流密度達(dá)到21 mA/cm2后，進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行電流密度至28 mA/cm2時(shí)，酸/堿濃度增加幅度較?。ㄋ釢舛葟?.14 mol/L 增加到1.20 mol/L，堿濃度從1.23 mol/L 增加到1.28 mol/L），因此電流密度在21 mA/cm2時(shí)即具有較好的酸/堿回收效果。

本研究計(jì)算分析了不同電流密度下BMED 運(yùn)行電流效率的變化，結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 不同電流密度下電流效率變化情況Fig.10 Currency efficiency variations under different current densities

由圖10 可知，隨著電流密度的增加，BMED 運(yùn)行的酸/堿電流效率逐漸降低，同時(shí)隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，酸/堿電流效率也逐漸降低，系統(tǒng)運(yùn)行能耗也相應(yīng)增大。隨著系統(tǒng)運(yùn)行電流密度增加，電解質(zhì)離子遷移速度增加并對(duì)H+和OH-的定向遷移造成阻礙和干擾，系統(tǒng)運(yùn)行電阻有所增加〔15〕。此外，隨著電流密度的增加，系統(tǒng)運(yùn)行電流也隨之增加（膜面積相同），在系統(tǒng)運(yùn)行電阻相同的情況下，根據(jù)焦耳定律，系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)熱量也有所增加。在膜堆電阻隨著電流密度增加的情況下，系統(tǒng)發(fā)熱量隨著電流密度的增加而顯著增加，由此導(dǎo)致能量損失，因此在工程應(yīng)用中電流密度不宜過(guò)大。此外，有研究表明，離子交換膜表面極化現(xiàn)象會(huì)隨電流密度的增大而加強(qiáng)，極化過(guò)程產(chǎn)生的H+會(huì)抑制電解質(zhì)離子從料液遷移到酸室和堿室，并且較高的電流密度會(huì)加劇H+與Na+的競(jìng)爭(zhēng)及OH-與SO42-的競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)也促進(jìn)了H+和OH-的泄露導(dǎo)致電流效率降低〔16〕。

2.4 系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

在初始酸、堿濃度均為0.1 mol/L，電流密度為21 mA/cm2條件下，分析測(cè)算采用BMED 處理轉(zhuǎn)化NF 系統(tǒng)濃鹽水的經(jīng)濟(jì)性。

實(shí)驗(yàn)處理濃鹽水流量為0.5 L/h，則處理1 m3濃鹽水用時(shí)2 000 h；系統(tǒng)運(yùn)行電耗負(fù)荷約為0.12 kW，則濃鹽水處理電耗=0.12×2 000=240 kW·h/m3，以陜北某市上網(wǎng)電價(jià)0.421 8 元/（kW·h）計(jì)算，濃鹽水處理用電成本約為101.23 元/m3。該實(shí)驗(yàn)采用BMED 膜堆，其成本按照2 200 元計(jì)算，設(shè)計(jì)使用壽命為5 a，按照每年運(yùn)行7 000 h計(jì)，BMED 年處理濃鹽水3.5 m3，處理單位體積濃鹽水BMED 膜更換平均費(fèi)用約125.71元/m3。綜上，在僅考慮系統(tǒng)運(yùn)行電耗成本、膜更換成本，不考慮設(shè)備折舊等因素情況下，濃鹽水處理成本共計(jì)約226.94元/m3。

上述運(yùn)行條件下系統(tǒng)產(chǎn)出的酸流量為0.45 L/h，酸濃度為1.14 mol/L（0.57 mol/L 的H2SO4），則產(chǎn)H2SO4速度=0.45×0.57×98≈25.14 g/h，由此可得1 m3濃鹽水產(chǎn)H2SO4質(zhì)量≈25.14×2 000=50 280 g=50.28 kg，產(chǎn)H2SO4能耗≈0.12×0.5×1 000 000/25.14≈2 386.63 kW·h/t，產(chǎn)H2SO4電耗成本約為1 006.68 元/t。

上述運(yùn)行條件下系統(tǒng)產(chǎn)出的堿流量為0.29 L/h，堿（NaOH）濃度為1.23 mol/L，則產(chǎn)NaOH速度=0.29×1.23×40≈14.27 g/h，由此可得1 m3濃鹽水產(chǎn)NaOH 質(zhì)量≈14.27×2 000=28 540 g=28.54 kg，產(chǎn)NaOH 能耗≈0.12×0.5×1 000 000/14.27≈4 204.63 kW·h/t，產(chǎn)NaOH 電耗成本約為1 773.51 元/t。

BMED 運(yùn)行成本測(cè)算的具體結(jié)果如表2 所示。

表2 BMED 處理濃鹽水經(jīng)濟(jì)分析Table 2 Economic analysis of the treatment process of brine with BMED

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，采用BMED工藝處理NF系統(tǒng)產(chǎn)生的濃鹽水，處理成本比DTRO-MVR工藝高約136.26元/m3。此外，1 m3濃鹽水通過(guò)BMED 處理可以產(chǎn)生50.28 kg的H2SO4和28.54 kg 的NaOH。按照純H2SO4和NaOH的單價(jià)（含運(yùn)費(fèi)）分別為1 500 元/t 和5 150 元/t 計(jì)算，每立方米濃鹽水通過(guò)BMED 處理產(chǎn)生酸和堿的價(jià)值分別約為75.42 元和146.98 元，合計(jì)約為222.40 元。綜合對(duì)比分析BMED 工藝和采用DTRO-MVR 工藝處理NF系統(tǒng)產(chǎn)生的濃鹽水，前者的運(yùn)行成本比后者要低86.14元/m3。

因此，采用BMED 系統(tǒng)代替DTRO-MVR 系統(tǒng)，不僅能夠降低濃鹽水的零排放處理成本，而且產(chǎn)生的酸液和堿液可以直接回用于礦井水零排放處理工藝，減少外購(gòu)酸/堿，還能夠降低整個(gè)廢水零排放處理系統(tǒng)的鹽分輸入，具有較為明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。不過(guò)，由于礦井水的水量較大，將濃鹽水全部采用BMED 系統(tǒng)處理產(chǎn)生的酸/堿難以完全消納，因此需要根據(jù)礦井水零排放處理系統(tǒng)的酸/堿消耗量進(jìn)行測(cè)算，確定合理的BMED 系統(tǒng)處理能力，實(shí)現(xiàn)酸/堿的“產(chǎn)用平衡”。此外，將部分濃鹽水通過(guò)BMED裝置轉(zhuǎn)化為酸/堿進(jìn)行回用后，剩余的濃鹽水進(jìn)入DTRO-MVR 系統(tǒng)進(jìn)行處理，可以降低DTRO-MVR系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷，提高系統(tǒng)運(yùn)行的裕度。

3 結(jié)論

1）BMED 運(yùn)行的初始酸/堿濃度對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行電流效率、能耗和所產(chǎn)酸/堿濃度均有影響，在濃鹽水中硫酸鈉質(zhì)量濃度為52 317 mg/L，電流密度為21 mA/cm2工況下，最優(yōu)的初始酸/堿濃度為0.1 mol/L 左右。

2）電解質(zhì)濃度對(duì)BMED 運(yùn)行產(chǎn)生的酸/堿濃度略有影響，相對(duì)于采用DTRO 系統(tǒng)濃鹽水，采用NF系統(tǒng)的濃鹽水作為電解質(zhì)獲得的酸/堿濃度更高。

3）BMED 產(chǎn)生酸/堿的速度主要取決于系統(tǒng)運(yùn)行的電流密度，不過(guò)電流密度過(guò)高將導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行能耗顯著增加，在濃鹽水中硫酸鈉質(zhì)量濃度為52 317 mg/L、初始酸、堿濃度均為0.1 mol/L 的工況下，電流密度宜控制在21 mA/cm2左右。

4）根據(jù)礦井水零排放處理系統(tǒng)的酸/堿消耗量合理確定BMED 出力，可以實(shí)現(xiàn)部分濃鹽水的資源化。