二氧化碳在工業(yè)水處理中的應(yīng)用概述

柳 洋，李志山

(中昊光明化工研究設(shè)計院有限公司，遼寧 大連 甘北路34號 116031)

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二氧化碳在工業(yè)水處理中的應(yīng)用概述

柳 洋，李志山

(中昊光明化工研究設(shè)計院有限公司，遼寧 大連 甘北路34號 116031)

二氧化碳是一種具有溫室效應(yīng)的氣體，大氣層中CO2含量的升高顯著推高地球表面的溫度，引起一系列嚴(yán)重后果，諸如冰川融化、海平面上升、極端氣候等。而現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，卻大大加快了向大氣中排放二氧化碳的量，導(dǎo)致嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。因此，如何減少排放和利用二氧化碳引起各國的高度重視。目前，處理二氧化碳的方法有深海掩埋、氣體肥料、制成碳酸酯等方法。受技術(shù)、成本和使用量等因素影響，處理量有限。而工業(yè)水處理領(lǐng)域的工業(yè)循環(huán)冷卻水處理、工業(yè)廢水(污水)處理、工業(yè)純水(原水)處理都是用水的大戶，使用水量很大。如果能將二氧化碳在工業(yè)水處理方面進行應(yīng)用，既可處理大量的工業(yè)用水，達到節(jié)水節(jié)能的目的，又可使用大量的溫室氣體，必將產(chǎn)生較大的社會效益和經(jīng)濟效益。

二氧化碳；工業(yè)水處理

0 引 言

水處理是指通過一系列水處理設(shè)備或裝置將被污染的工業(yè)廢水或污水進行凈化處理，以達到國家規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。由于社會生產(chǎn)、生活與水密切相關(guān)，因此，水處理領(lǐng)域涉及的應(yīng)用范圍十分廣泛，形成了一個非常龐大的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

工業(yè)水處理就是通過物理的、化學(xué)的手段，去除水中一些對生產(chǎn)、生活不需要的物質(zhì)的過程，為了適用于特定的用途而對水進行的沉降、過濾、混凝、絮凝、軟化以及緩蝕、阻垢的過程。加工原水為生活或工業(yè)的用水時，稱為給水處理；加工廢水時，則稱廢水處理；緩蝕、阻垢等水質(zhì)處理稱為循環(huán)冷卻水處理。水處理的效果可以通過國家相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和特定的技術(shù)指標(biāo)進行衡量。

通過查閱國內(nèi)外的期刊文摘數(shù)據(jù)庫、會議論文、學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)庫、專利文摘數(shù)據(jù)庫等，可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外二氧化碳在工業(yè)水處理中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1 文獻綜述

1.1 二氧化碳在軟化水給水處理方面的應(yīng)用

1989年[1-2]清華大學(xué)核能技術(shù)研究所和齊魯石化公司第二化肥廠的云桂春,趙模堂,龔聞禮等首次對離子交換部分除鹽二氧化碳再生新工藝進行研究，它是利用二氧化碳再生弱酸陽離子交換樹脂、強堿陰離子交換樹脂，使其恢復(fù)到初始狀態(tài)。與傳統(tǒng)的離子交換除鹽技術(shù)相比，具有利用二氧化碳作為再生劑可同時再生陰、陽兩種離子交換樹脂，運行費用低，再生液可直接排放，不需投加酸或堿中和，再生離子交換混床時兩種樹脂無需分開等優(yōu)點。該項新工藝主要用于工廠企業(yè)生產(chǎn)循環(huán)冷卻水、啤酒廠釀造用水部分除堿脫硬去除硝酸鹽，以及含有高碳酸鹽硬度與高強酸鹽的原水的預(yù)脫鹽處理。

清華大學(xué)熱能工程系的王方和山東濟寧工礦設(shè)備廠的張新泉，對CO2再生離子交換法在工業(yè)水處理中應(yīng)用進行探討[2]。CO2再生離子交換法是一離子交換的新工藝，由于這種工藝采用價廉而對環(huán)境無污染的CO2作再生劑，所以這種工藝頗為人們所重視。討論了這種工藝的原理，介紹了在水的軟化和脫鹽處理中采用這種工藝的初步結(jié)果，對這種工藝在工業(yè)水處理中推廣應(yīng)用的前景進行了探討。

清華大學(xué)和北京市自來水公司在1993年對二氧化碳再生離子交換樹脂水處理工藝進行了技術(shù)鑒定[3]。利用在一定壓力作用下二氧化碳溶于水后生成的碳酸的電離產(chǎn)物H+和HCO-3來代替酸或堿電離提供的H+或OH-離子的置換反應(yīng)，使失效的離子交換樹脂恢復(fù)到初始狀態(tài)。其優(yōu)點在于：利用一種再生劑可同時再生陰、陽兩種樹脂，操作簡單、安全性好,保護水資源不增加鹽負(fù)荷、不污染環(huán)境，在有二氧化碳來源的工廠企業(yè)應(yīng)用投資少、見效快、運行費用低，可節(jié)省大量化工原料酸和堿，回收二氧化碳作為資源加以利用，同時減少二氧化碳排放量，有利于減少大氣溫室效應(yīng)。本技術(shù)可推廣應(yīng)用于具有二氧化碳來源的大、中、小化工廠，化工企業(yè)生產(chǎn)循環(huán)冷卻水的半軟化；飲用水中硬度和硝酸鹽較高，以及含高碳酸硬度與高強酸鹽原水制備脫鹽水的預(yù)除鹽。實際應(yīng)用于齊魯石化公司第二化肥廠一套產(chǎn)能為200 m3/h的半軟化水裝置中，每年可節(jié)約硫酸費30萬元，加氨中和廢再生液的費用6萬多元，此外每年還將減少排入水體的硫酸鹽736 t，氨25 t。同時排放污水中含鹽量與氨氮含量大大降低，有利于污水回用。

1.2 二氧化碳在廢水和污水處理方面的應(yīng)用

利用二氧化碳可以溶于水并和水反應(yīng)生成碳酸，CO2+H2O=H2CO3，使水溶液呈弱酸性的特性，國內(nèi)外在廢水和污水處理方面，均進行過利用二氧化碳代替部分酸性物質(zhì)，中和堿性廢水方面的應(yīng)用[4-7]。另外，發(fā)明人戴均和的發(fā)明專利CN103739121A[8]公開一種超臨界二氧化碳萃取分離和超臨界水氧化聯(lián)合處理工業(yè)廢水的方法。發(fā)明專利提到先期采用超臨界二氧化碳萃取分離技術(shù)萃取所述工業(yè)廢水中的氯化物，后續(xù)采用超臨界水氧化技術(shù)降解除去其中的有毒有機物。

1.3 二氧化碳在工業(yè)循環(huán)冷卻水處理方面的應(yīng)用

水的熱容或比熱較大，水的汽化潛熱(蒸發(fā)潛熱)和熔化潛熱也很高，因此水是比較理想的冷卻介質(zhì)。冷卻水由循環(huán)泵送往系統(tǒng)中各換熱器，以冷卻工藝熱介質(zhì)，冷卻水本身溫度升高，變成熱水，同時熱水被送往冷卻塔頂部，由布水管道噴淋到塔內(nèi)填料上。空氣則由塔底百頁窗空隙中進入塔內(nèi)，并被塔頂風(fēng)扇抽吸上升，與落下的水滴和填料上的水膜相遇進行熱交換，水滴和水膜則在下降過程中逐漸變冷，空氣在塔內(nèi)上升過程中則逐漸變熱，最后由塔頂逸出，同時帶走水蒸氣，使水得以循環(huán)使用。冷卻水在循環(huán)系統(tǒng)中不斷循環(huán)使用，由于水的溫度升高，水的蒸發(fā)，各種無機離子和有機物質(zhì)的不斷濃縮，由此引起的最嚴(yán)重的問題之一就是結(jié)垢。目前，控制結(jié)垢的方法有：去除水中的成垢離子；加酸中和堿度，降低pH值穩(wěn)定水中的成垢離子；通入二氧化碳?xì)怏w，穩(wěn)定重碳酸鹽；投加阻垢劑，控制結(jié)垢。

利用二氧化碳?xì)怏w控制循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的結(jié)垢，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院的沈炳耘,袁源等進行過系統(tǒng)的研究[9]。在自行搭建的電廠循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬試驗臺上,用二氧化碳作為模擬煙氣,通過空白試驗、加載離子棒試驗、加載模擬煙氣試驗,對爐煙處理循環(huán)冷卻水的阻垢、抑垢性能進行試驗，結(jié)果表明:模擬煙氣具有較好的阻垢、抑垢作用,且在循環(huán)冷卻水流量相同的情況下,模擬煙氣比離子棒的阻垢率高,阻垢、抑垢效果明顯。樊向東在原有基礎(chǔ)上，對模擬煙氣的阻垢性能作了進一步的研究[10]。在實驗室原有循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬試驗臺的基礎(chǔ)上,設(shè)計并安裝模擬煙氣處理循環(huán)水系統(tǒng),通過動態(tài)模擬試驗,與高壓靜電離子棒阻垢法在不同凝汽器管材、不同循環(huán)水流量下進行試驗對比,其次,在改造的試驗臺上進行模擬煙氣處理循環(huán)水的阻垢、抑垢試驗,空白試驗結(jié)果表明:模擬煙氣具有一定的阻垢、抑垢效果,加載模擬煙氣試驗的污垢熱阻明顯小于空白試驗；與加載高壓靜電離子棒試驗結(jié)果對比表明：在相同流量、相同凝汽器管材的條件下,模擬煙氣的阻垢、抑垢效果要優(yōu)于高壓靜電離子棒。雖然使用二氧化碳進行循環(huán)冷卻水的阻垢存在一些不足之處：換熱器管材和循環(huán)水流量對模擬煙氣的阻垢、抑垢效果有一定的影響，存在垢的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。如果，二氧化碳處理法能與傳統(tǒng)的化學(xué)法水質(zhì)穩(wěn)定處理相結(jié)合，解決存在的缺陷，即可達到良好的水處理效果，又可以減少傳統(tǒng)水處理劑的使用量，實現(xiàn)“以廢治廢,廢物利用”。

2 總結(jié)與展望

綜上所述，二氧化碳在工業(yè)水處理中主要應(yīng)用于軟化水水處理、二氧化碳代替部分酸性物質(zhì)中和堿性廢水和工業(yè)循環(huán)冷卻水處理三個方面。鑒于工業(yè)循環(huán)冷卻水用水量大，約占工業(yè)用水的80%以上，結(jié)合目前綠色阻垢劑的推廣應(yīng)用以及不斷提高循環(huán)水運行濃縮倍數(shù)直至零排放的要求，若能將二氧化碳添加與工業(yè)循環(huán)冷卻水水質(zhì)穩(wěn)定處理技術(shù)相結(jié)合，具有廣闊的研究價值和應(yīng)用前景，必將產(chǎn)生較大的社會效益和經(jīng)濟效益。

[1] 云桂春,趙模堂,龔聞禮，等.清華大學(xué)核能技術(shù)研究所,齊魯石化公司第二化肥廠,離子交換部分除鹽二氧化碳再生新工藝,1989.項目年度編號892828.

[2] 王方,張新泉.CO2再生離子交換法在工業(yè)水處理中應(yīng)用的探討[J].工業(yè)水處理,1994(5)：1-5.

[3] 清華大學(xué),北京市自來水公司.二氧化碳再生離子交換樹脂水處理工藝1993,項目年度編號6000012440.

[4] 應(yīng)寶華.二氧化碳處理法在鋼鐵工業(yè)廢水處理回用中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代冶金,2012,40(2):37-39.

[5] 應(yīng)寶華,姚鳳鳳.二氧化碳在鋼鐵工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用研究[C]//全國冶金節(jié)水與廢水利用技術(shù)研討會論文集.北京：中國冶金學(xué)會，2011:62-65.

[6] THOMAS P.Neutralization of Alkaline Effluents with Carbon Dioxide[J].Industrie-Anzeiger, 1974,96(45):1022-1023.

[7] GRIFFITH M J, Muscle Shoals, AL, United States, Carbon dioxide neutralization of an alkaline effluent[J].IND WASTES, 1982,28(2)：18，24-25.

[8] 戴均和.一種超臨界二氧化碳萃取分離和超臨界水氧化聯(lián)合處理工業(yè)廢水的方法:中國，CN103739121A[P].2014-04-23.

[9] 樊向東,沈炳耘,袁源.電廠循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬試驗臺爐煙除垢方法的試驗與研究[J].節(jié)能,2012,31(11):27-29.

[10] 樊向東.爐煙處理電廠循環(huán)冷卻水的試驗研究與分析[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2013.

Summary of the Application of Carbon Dioxide in Industrial Water Treatment

LIU Yang，LI Zhishan

(Zhonghao Guangming Research & Design Institute of Chemical Industry Co.,Ltd., Dalian 116031,China)

CO2as a greenhouse gas can significantly raise the temperature on the surface of earth if its content in the atmosphere keeps growing. The consequences can be disastrous such as melting glaciers, rising sea level and extreme weather conditions. Nevertheless, the development of modern industries is boosting the emission of CO2into the atmosphere, resulting in increasingly serious greenhouse effects. Therefore, how to reduce emission and utilize CO2has become a question that needs to be answered by governments as soon as possible. Currently CO2is treated in several ways like buried in deep sea, transformed into gaseous fertilizer, used as a material for carbonic acid esters, etc. However, the quantity being treated is very small due to the restrictions related to technology, cost and usage. On the other hand, industrial water treatment industry is a major water consumer since it involves treatment of industrial circulation cooling water, industrial waste water (effluent) and industrial pure water (raw water). If we can find a way to utilize CO2in industrial water treatment industry, then it is possible to consume more greenhouse gas while increasing treatment capacity of the industrial water, in addition to saving more water and power. The social and economic benefits thus created can be quite considerable.

CO2；industrial water treatment

2016-07-12

X703

A

1007-7804(2016)05-0008-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.05.003

柳 洋(1984)，男，大專學(xué)歷，2005年畢業(yè)于廣播電視大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，2008年至今就職于中昊光明化工研究設(shè)計院有限公司從事水處理工作。