鹽水中脫除硫酸根工藝的進展及發展方向

史志偉，李開明

（北京中科國益環保工程有限公司，北京 100080）

鹽水中脫除硫酸根工藝的進展及發展方向

史志偉，李開明

（北京中科國益環保工程有限公司，北京 100080）

介紹了氯堿行業中鹽水脫除硫酸根各種主要工藝的特點，探討了鹽水脫硝的技術改進及發展方向。

硫酸根；沉淀法；冷凍法；膜分離

在氯堿行業中，硫酸根是鹽水中主要的陰離子雜質，由于電解后的淡鹽水要重新用于化鹽，其中的硫酸根不斷地積累將阻礙氯離子放電，降低陽極的電流效率，減少氯氣的純度，導致陽極腐蝕加快。因此，脫除鹽水中的硫酸根，使其保持較低的含量，對提高電流效率和延長陽極壽命具有十分重要的作用。一般認為電解槽中精鹽水的硫酸根含量控制在5 g/L以下比較合理[1]。在鹽水中分離、去除硫酸根離子的方法包括化學沉淀法（包括Ba法和Ca法）、冷凍法、離子交換法、膜分離法和膜法—冷凍分離技術。

1 現有技術介紹

1.1 化學沉淀法

1.1.1 氯化鋇法

氯化鋇法是采用氯化鋇將硫酸根以硫酸鋇沉淀的形式去除。由于硫酸鋇溶解度低，BaCl2反應率高，故脫除硫酸根的效果較好，該法曾經成為最主要的去除硫酸根方法。

近年來，隨著離子膜燒堿的快速發展，該方法的不足之處逐步顯現出來。第一，氯化鋇劇毒，會對操作人員的身體帶來傷害，生成的硫酸鋇沉淀是一種固體廢棄物，處理不當會對環境造成影響；第二，BaCl2投加量不易控制，在水質波動較大的情況下，容易出現投加過量的情況，過量的鋇不但影響二次鹽水的樹脂吸附，而且還會與電解槽中的NaOH反應生成沉淀，堵塞電槽隔膜；第三，若鹽水中存在碘離子，在電場作用下，二者極易在離子膜上形成Ba4H4（IO6）2，這種物質是一種大分子化合物，極易在離子膜表面上形成細小的顆粒，影響離子膜的效率，第四，氯化鋇法的最大缺點是使用成本過高，如2007年，濟寧某電化有限公司15萬t/a燒堿裝置用于購買氯化鋇的費用高達1 200萬元以上，該公司擴產32萬t/a燒堿裝置后，采用氯化鋇法的年運行費用為2 724萬元[2]，因此，氯化鋇法逐漸被其他先進的方法取代。

1.1.2 碳酸鋇法

碳酸鋇法是利用碳酸鋇在水中的溶度積大于硫酸鋇的原理，從而使硫酸根取代碳酸根與鋇反應生成硫酸鋇沉淀的方式將硫酸根去除。該方法的工藝流程為，在鹽水中加入適量的碳酸鋇，充分攪拌，使碳酸鋇與鹽水充分混合形成碳酸鋇懸濁液，然后將懸濁液加入到含有硫酸根及鈣離子鹽水的反應槽中，使鹽水中的硫酸根與碳酸鋇進行反應，在充分攪拌的條件下反應30～40 min，反應后的鹽水經泵打到澄清槽進行固液分離，上清液從澄清槽的上部溢流堰溢流到鹽水罐，再用化鹽泵加入化鹽桶化鹽。沉淀未反應的碳酸鋇則用沉淀泵打回到反應槽中循環使用。該方法比氯化鋇法脫除硫酸根的費用低，但固體廢棄物的增加和碳酸鋇使用效率低等問題制約著該技術的應用。

1.1.3 氯化鈣法

氯化鈣法是利用氯化鈣與硫酸根進行化學反應生成CaSO4·2H2O沉淀。該法去除硫酸根投資省，又因氯化鈣價格便宜，因此，具有一定的競爭力。其缺點是，由于硫酸鈣在鹽水中的溶度積較大，去除不如氯化鋇法徹底。如果鹵水使用量不大，經該法處理后的鹽水中硫酸根離子的質量濃度也可達7 g/L以下的要求，但很難達到5 g/L以下。此外，該工藝向鹽水中額外引入了鈣離子，對鹽水精制單元增加了負擔，鹽泥量也有不少的增加，不符合國家的減排政策，所以該法沒有得到廣泛的應用。

1.2 冷凍法

冷凍法是物理方法，其原理是利用氯化鈉和硫酸鈉的溶解度隨溫度變化的不同而實現分離，將含硫酸根的鹽水冷凍，把硫酸根以Na2SO4·10H2O的形式沉淀去除，制成副產品芒硝。工藝流程為將含硫酸根的鹽水溶液與冷凍鹽水熱交換，由室溫（25℃）降至-8～-5℃，生成晶粒漿液，經離心機進一步分離出晶體，冷卻沉降上清液和離心母液可回用至化鹽工序，芒硝可包裝出售。該方法的優點是采用物理方法，不向鹽水中引入化學物質，無污染，能夠滿足電解所需鹽水含硫酸根離子5 g/L以下的要求；缺點是投資大，需要離心機、冷凍站、熱交換器以及皮帶運輸機和配套的貯槽機泵等，一次設備投資大，能耗高，在原料中硫酸根的質量濃度小于25 g/L時運行不經濟。

1.3 離子交換法

離子交換法（樹脂法）是使用陰離子型離子交換樹脂，采用吸附交換的形式將鹽水中的硫酸根脫除，該類樹脂通常需要具有以下特征：對硫酸根有專一性選擇，不能脫除氯根；能在一定程度上抵抗游離氯引起的樹脂老化；能防止鈣及鐵沉降到樹脂上；再生能力強。如采用某種聚酰胺官能團的離子交換樹脂可將硫酸根降至0.2 g/L，去除效果好。但是，該法也有一定的缺點，如樹脂體積大，樹脂再生所需酸堿量大，再生廢水難以處理等，運行也不經濟。

1.4 膜分離法

膜法是物理分離方法，是利用膜的選擇性分離功能，將鹽水中硫酸根從鹽水中分離，滲透液回用于化鹽工序。在整個分離過程中，不需要添加藥劑，不會影響鹽水水質，對硫酸根的截留率穩定，操作和維護簡單。最早的膜分離方法是SRS法，該技術的關鍵在于其中的NF膜，是一種納米級的過濾技術，是介于超濾和反滲透之間的一種技術。該類膜對多價離子和分子量在200以上的有機物具有較高的截留率，而對單價粒子的截留率較低。所以，NF膜可以有效地截留鹽水中的硫酸根而不會對氯離子造成很大的影響，從而達到脫除硫酸根離子的目的。NF膜分離示意圖見圖1。

用NF膜脫除硫酸根具有操作費用低、效率高、無污染等特點，是今后脫除硫酸根的發展方向。但采用該方法產生的濃縮液中氯化鈉的含量也比較高，為220 g/L左右，將濃縮液排掉不但對環境造成了污染，而且浪費掉了大量NaCl。如何處理濃縮的鹽水成為膜分離法應用的關鍵問題。

1.5 膜法—冷凍分離技術

膜法—冷凍分離技術是在SRS技術基礎上發展起來的一項技術，是NF膜法和冷凍法的有機結合。首先，采用膜法將淡鹽水分離為貧硝鹽水和富硝鹽水，隨后，采用冷凍法將富硝鹽水中的硫酸根以芒硝的形式結晶分離。膜法—冷凍分離技術包括預處理、NF膜分離、冷凍脫硝3個單元。

（1）預處理。淡鹽水經過二級換熱，將溫度控制在工藝要求的溫度范圍內，隨后加入還原劑并調節pH值，再經過活性炭過濾器進一步去除余氯和大顆粒物質，進入原料液罐貯存待用。

（2）膜分離。預處理后的淡鹽水經過保安過濾器后，通過高壓泵送入膜裝置，利用膜分離的特性分離硫酸根，膜分離后的淡鹽水分為滲透液與濃縮液，滲透液經換熱后，送入化鹽工序待用，濃縮液送至冷凍脫硝工序。

（3）冷凍脫硝。濃縮液經預冷卻器與貧硝水進行熱量交換，隨后，經大型冷凍機組以及專用的冷媒冷凍至-8～-5℃，沉降的晶體采用離心機脫水產出芒硝，離心母液和冷凍上清液經換熱后進入貧硝鹽水池待用。

工藝流程示意圖見圖2。

膜法—冷凍脫硝有效地解決了膜法脫硝產生濃縮液的回收問題，該工藝是目前國內較先進的脫銷技術，許多離子膜燒堿企業逐步采用此項技術。但隨著離子膜燒堿技術的逐步發展，該技術的一些不足之處也逐漸地暴露了出來，如冷凍溫度過低，導致蒸發器易堵塞；鹽水濃度高，易在膜表面結垢；尤其是需要大型冷凍機組，能耗較高。該工藝逐漸不能滿足氯堿行業的發展需求。

2 技術改進及發展方向

氯化鋇法在隔膜堿中應用較廣，但隨著離子膜燒堿技術的推廣、該法因運行費用的居高不下，而逐步被淘汰。離子交換法由于樹脂體積大，樹脂再生所需酸堿量大，再生廢水難以處理等，也沒有被廣泛應用。國內的離子膜燒堿企業大多采用膜法—冷凍法脫硝處理方法，但設備管道易被堵塞，冷凍能耗高等不足之處一直沒能很好地解決。降低該工藝冷凍能耗以及提高膜對硫酸根的分離效率是該技術下一步的改進方向。

北京中科國益環保工程有限公司提出了以下改進方案：（1）對NF膜的構造進行改性，加強耐結垢和抗污堵能力；（2）采用多段式膜法脫硝，將硫酸根濃縮至近飽和狀態，提高冷凍效率；（3）利用化學勢能最低原理，使改性的NF膜對Cl-的截留率變為負值，提高了分離效率以及滲透液中NaCl的濃度；（4）提高冷卻溫度，降低運行能耗，延長蒸發器清洗周期；（5）富硝鹽水冷卻后的上清液回至NF膜分離單元，提供較高的化學勢能，提高膜單元對硫酸根的分離效率。

經過上述改進，鹽水脫硝的運行費用將進一步降低，以460 kg/h硫酸鈉脫除裝置為例，僅冷凍單元電費可節省70萬元/a，效益可觀。

［1］唐光斌.鹽水中SO2－4含量對離子膜生產的影響.中國氯堿，2000，（2）：16－17.

［2］曹廣軍，孫曉麗，聶立新.安全高效的脫除硫酸根裝置.氯堿工業，2010，（46）：4－5.

Technical improvements and development of removal sulfate in brine

SHI Zhi-wei，LI Kai-ming
(Beijing CS GUOYI environmental protection engineering CO.,LTD,Beijing 100080，China)

The process methods of removing sulfate ions in the brine and its characteristics were introduced,and the technical improvements and development were discussed.

sulfate,precipitation,freezing,membrane separation

TQ114.26+1

B

1009－1785(2012)04-0009-03

史志偉（1984—），男，北京中科國益環保工程有限公司氯堿化工技術部副經理，工學碩士，從事研究方向：氯堿化工行業的廢水治理。

2011-12-02