無機(jī)高鹽廢水電滲析規(guī)律的研究

辛世紀(jì)，劉　勇*，曹文彬，尹勝奎，尹秋響，郝紅勛

(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072； 2.天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3.北京今大禹環(huán)保技術(shù)有限公司,北京 100043)

焦化廢水順序經(jīng)過生物處理、高級氧化以及反滲透處理后的濃水含有大量無機(jī)鹽，若直接排放，會對環(huán)境造成較大危害[1-2]。我國淡水資源緊缺，對高濃度鹽水進(jìn)行脫鹽淡化，有利于水資源的再生利用，對我國建設(shè)環(huán)境友好型和循環(huán)經(jīng)濟(jì)社會具有重大意義[3-5]。

本研究中待處理水為焦化廢水經(jīng)過生物反應(yīng)、高級氧化以及反滲透處理后的濃水，含鹽量和硬度均較高。若直接使用電滲析除鹽則會由于膜結(jié)垢造成膜滲透率變差[14]。因此，本研究在采用電滲析除鹽之前，將對廢水進(jìn)行軟化處理。本實(shí)驗(yàn)將軟化后的高鹽廢水引入電滲析裝置中間室、陽極室和陰極室，研究電壓、中間室流量、陰陽極室流量及運(yùn)行時間對高鹽廢水脫鹽效率的影響。

1　試驗(yàn)部分

1.1　廢水來源與軟化處理

試驗(yàn)用水為某焦化廠污水經(jīng)過處理后的無機(jī)高鹽高硬度廢水，其pH值為7.75，初始電導(dǎo)率為13.30 mS·cm-1，SS含量為13.8 g·L-1。水樣烘干后經(jīng)X射線熒光光譜分析(X Ray Fluorescence，XRF)，其主要成分如表1所示。

表1　無機(jī)高鹽廢水主要化學(xué)成分

由表1可看出，無機(jī)高鹽廢水的鹽度及硬度較高，若直接使用電滲析處理會造成離子膜結(jié)垢[15]，因此在使用電滲析處理該廢水前需進(jìn)行軟化處理[16]。

1.2　裝置及分析方法

自制電滲析裝置如圖1所示。陰、陽極室以及中間室進(jìn)水均為待處理高鹽廢水。

圖1　電滲析裝置圖Fig.1　Electrodialysis device

膜堆組裝方式為一級一段式，采用不銹鋼電極，陰、陽離子膜為我國某大學(xué)實(shí)驗(yàn)室合成的新型離子交換膜，有效膜面積為200 mm×91.5 mm，厚度為0.56 mm，膜對數(shù)為1，隔板厚0.87 mm，兩極板間距8 mm。直流電源(Maisen，MS-3050)提供電壓。使用電導(dǎo)率儀(HORIBA，ES-12)測定進(jìn)出水的電導(dǎo)率，并依據(jù)公式(1)計(jì)算脫鹽率(x，%)：

(1)

其中，Gi和Go分別為進(jìn)出水的電導(dǎo)率(mS·cm-1)。

1.3　廢水的分解電壓

為防止在電滲析過程中廢水的電解而導(dǎo)致高能耗，首先需要確定該廢水在自制電滲析裝置中的分解電壓。在電滲析處理裝置中裝入廢水，通過調(diào)節(jié)直流電源的輸出電壓，讀取不同電壓下的電流，并作圖(如圖2所示)。

圖2　電壓與電流關(guān)系圖Fig.2　The relationship between voltage and current

由圖2可見，在低電壓范圍時，電流隨電壓的升高而緩慢上升，當(dāng)電壓大于某一數(shù)據(jù)后電流快速增加。對電流快速變化段和緩慢變化段作切線，兩條切線的交點(diǎn)作為廢水在該裝置中的分解電壓。由圖2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可確定該無機(jī)高鹽廢水的分解電壓約為2.8 V。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　時間對脫鹽效率的影響

固定電壓2.8 V，中間室流量為78 mL·h-1，陰、陽極室流量為42 mL·h-1，連續(xù)運(yùn)行48 h。脫鹽效率隨時間的變化趨勢如圖3所示。

圖3　脫鹽效率隨時間變化Fig.3　The change of desalting efficiency with time

由圖3可看出，在初始時該裝置的脫鹽效率可達(dá)7.4%，運(yùn)行60 min時的脫鹽效率降為5.68%，可見前60 min內(nèi)脫鹽效率下降較明顯；300 min到2 100 min時脫鹽效率由4.7%降為1.4%，脫鹽效率下降較為平緩；2 100 min到3 000 min時脫鹽效率幾乎不變。脫鹽效率隨時間減小是由極化現(xiàn)象造成的，包括電極的極化和膜極化。以陽極室為例，陰離子不斷穿過陰離子交換膜到達(dá)陽極室，并附著在陽極板上，隨著電滲析過程的進(jìn)行，附著在陽極板上的陰離子層變厚，造成了電極的極化。同時陽極室中的陽離子由于電場的作用向陰極方向移動，由于陰離子交換膜只允許陰離子通過，陽離子在接觸到陰離子交換膜后被阻隔在陰離子交換膜靠近陽極的一側(cè)并不斷富集，造成了膜極化，膜兩側(cè)壓差逐漸增大，陰離子進(jìn)入陽極室要同時克服滲透壓力、膜阻力及附著在陰離子交換膜一側(cè)陽離子層阻力，從而導(dǎo)致陰離子進(jìn)入陽極室阻力變大，脫鹽效率隨時間逐漸降低[17]。因此需要倒電極來防止極化現(xiàn)象的產(chǎn)生。經(jīng)計(jì)算，連續(xù)運(yùn)行30和60 min時的平均脫鹽效率分別為6.7%和6.4%。

2.2　電壓對脫鹽效率的影響

固定中間室流量為78 mL·h-1，陰、陽極室流量為42 mL·h-1，考察電壓分別為2.8、2.0、1.5和1.0 V下脫鹽效率隨時間變化規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同電壓下脫鹽效率隨時間變化Fig.4　The change of desalting efficiency with time at different voltages

由圖4可看出：在相同的電壓下，脫鹽效率隨時間變化逐漸下降；在相同的電滲析時間下，脫鹽效率隨電壓升高而增加。電壓越大，通過溶液的電流就越大，此時更多的陰、陽離子通過離子交換膜，造成中間室的水中離子減少，脫鹽效率增大[18]。該現(xiàn)象與Elazhar等[19]的結(jié)論相同。

2.3　中間室流量對脫鹽效率的影響

固定電壓2.8 V，固定陰、陽極室的水流量為42 mL·h-1，考察中間室水流量分別為78、150、204、246和330 mL·h-1時的脫鹽效率。20 min內(nèi)平均脫鹽效率如圖5所示。

圖5　中間室流量與脫鹽效率關(guān)系Fig.5　The change of desalting efficiency with flow rate of wastewater in the dilute compartment

由圖5看出中間室流量對脫鹽效率有較大影響，適當(dāng)降低中間室流量可以得到較高的脫鹽效率。當(dāng)電滲析裝置啟動時，離子以一定的速度向兩極移動，中間室流量較小時，待處理水在電滲析裝置中的停留時間較長，進(jìn)入兩邊室的離子增多，因此中間室流量越小脫鹽效率越高[20]。流量較大時，待處理水在電滲析裝置中停留時間較短，離子不能充分?jǐn)U散，且剪切力和液體湍流程度較大，導(dǎo)致電場對離子的遷移效率下降，最終使脫鹽效率下降。但工業(yè)生產(chǎn)中要保證一定的生產(chǎn)量，因此中間室流量不宜太低。

2.4　陰、陽極室流量對脫鹽效率的影響

設(shè)定電滲析裝置中陰、陽極室流量相同。固定中間室流量為150 mL·h-1，在電壓為2.8 V條件下，分別考察中間室流量分別為42、102、150、198和258 mL·h-1時的脫鹽效率。20 min內(nèi)平均脫鹽效率如圖6所示。

圖6　濃水流量與脫鹽效率關(guān)系Fig.6　The change of desalting efficiency with flow rate of wastewater in the cathode and anode compartments

由圖6可知，陰、陽極室廢水流量增加，脫鹽效率緩慢升高，表明陰、陽極室廢水流量增加對提高脫鹽效率有一定幫助，但不及中間室流量變化對脫鹽效率的影響明顯。當(dāng)陰、陽極室廢水流量增大時，有利于減輕中間室廢水離子通過膜傳遞到陰、陽極室中的積累，同時也可以減少陰、陽離子在陰、陽離子膜兩側(cè)的積累，減輕裝置的極化現(xiàn)象，因此減小了電滲析的阻力，必然有利于電滲析脫鹽效率的增加[21]。

3　結(jié)論

使用自制一級一段式電滲析裝置處理焦化廠的高鹽、高硬度廢水，考察了運(yùn)行時間、電壓、中間室流量、以及陰、陽極室流量對電滲析脫鹽效率的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

電滲析脫鹽效率與運(yùn)行時間成反比，隨著電壓的升高脫鹽效率增大，中間室流量的減小導(dǎo)致脫鹽效率增加，脫鹽效率隨陰、陽極室流量的增大而升高。當(dāng)操作電壓為2.8 V，中間室流量為78 mL·h-1，陰、陽極室流量為42 mL·h-1，連續(xù)運(yùn)行30和60 min時的平均脫鹽效率分別為6.7%和6.4%。

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