基于離子濃度勢差發電的苦咸水處理循環系統

茍青松　賈德彬　王琪雯　孫既粵　袁澤

摘 要：結合我國水資源概況，分析苦咸水淡化的意義，根據苦咸水處理技術現狀，將傳統的苦咸水處理方法反滲透與濃差電池發電的電化學原理有機結合，探索出一種新型的苦咸水處理循環系統，并簡述該系統的優良性與應用前景。

關鍵詞：苦咸水 反滲透 濃差電池

中圖分類號：TK224.21 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（a）-0056-02

水（H2O）是生物體生存的重要條件，也是生物體最重要的組成部分。它既有利于維持生物體內生化反應的正常進行，也有利于維持生物體內環境的穩定，如果其中含有某些有害物質，就會對人們的生產生活造成危害。苦咸水是一類因為礦化度較高而無法直接利用的劣質水資源，其成因多樣，而且分布面積較廣，危害性大，處理過程單一且耗能較大，因此，提高苦咸水處理效果，探索出一種新型的苦咸水處理循環系統是我們的研究目標[1]。

1 苦咸水淡化的意義

要認識苦咸水淡化的意義，必須要了解我國的水資源概況，尤其是苦咸水資源概況。

1.1 我國淡水資源概況

我國淡水資源總量2.8萬億噸，位居世界第六，但由于人口眾多，我國人均水資源量僅為世界人均的1/4，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。我國水資源的時空分布受季風氣候的影響，降雨年內分配極不均勻，年際變化也很大，我國有300個城市不同程度缺水，沿海城市也不例外；全國各地幾乎每年都有旱災發生，尤其是北方地區更甚。據專家估計，我國人口將在2030年達16億，屆時我國人均水資源量大約為1 700 m3，中國將步入嚴重缺水行列。缺水已經成為制約我國社會經濟發展的最重要因素之一，每年因為缺水影響工業產值可達2 300 億元，為了改變這一現狀，我們不得不在節約用水的同時開辟第二水源。

1.2 我國苦咸水概況

苦咸水是一類因為礦化度較高而無法直接利用的劣質地下水，通常，我們把礦化度≥1.0 g/L的水稱之為苦咸水，又可細分為微咸水（礦化度1～3 g/L）、半咸水（3～10 g/L）、苦咸水（10～50 g/L）、鹵水（≥50 g/L），其形成與氣候條件、地形地貌、構造運動、人類活動等因素有較大關系[2-3]。

我國苦咸水主要分布在北方、西北干旱內陸、東部沿海地區，各地區苦咸水可開采量見表1。

由表1可知，我國苦咸水可開采量約200億m3/a，因此，利用苦咸水淡化，以提供安全、可靠的生產、生活用水，是緩解水危機的主要途徑之一。

2 系統的工作原理

目前，苦咸水的處理方法有反滲透、電滲析、納濾、蒸餾等，但這些大多都是一次工藝，對苦咸水的利用率不高，因此，為了提高苦咸水處理效果，我們將傳統的苦咸水處理工藝反滲透與濃差電池發電的電化學原理有機結合，探索出一種新型較高效的苦咸水處理循環系統。

2.1 反滲透原理

把相同體積的稀溶液和濃液分別置于一容器的兩側，中間用半透膜阻隔，稀溶液中的溶劑將自然的穿過半透膜，向濃溶液側流動，濃溶液側的液面會比稀溶液的液面高出一定高度，形成一個壓力差，達到滲透平衡狀態，此種壓力差即為滲透壓。若在濃溶液側施加一個大于滲透壓的壓力時，濃溶液中的溶劑會向稀溶液流動，此種溶劑的流動方向與原來滲透的方向相反，這一過程稱為反滲透（見圖1）。

反滲透是采用膜分離的水處理技術，與其他水處理方法相比具有無相態變化、常溫操作、設備簡單、效益高、環保、高脫鹽率（除去90%的可溶性鹽和99%以上的膠體微生物或有機物）、適應水質范圍廣的特點，其廣泛應用于礦化度高的水的處理。

2.2 濃差電池原理

將濃溶液與稀溶液交替置于極室內，其間用具有選擇透過性的陰陽離子交換膜隔開，濃溶液與稀溶液中的陰離子（主要是Cl-）、陽離子（主要是Na+）分別透過陰陽離子交換膜運動到陰陽極形成穩定的電勢差，陰陽極極室的電中性溶液分別由陰陽極表面的氧化還原反應維持，當外接負載時，電子由陽極到陰極并且形成電流。溶液中的化學反應為：

陽極：2H++2e-=H2↑，OH-+Na+=NaOH

陰極：2Cl--2e-= Cl2↑

反應過程中，陰極形成弱酸性溶液，陽極形成弱堿性溶液，電極為鈦涂釕惰性電極，本身不參與化學反應（見圖2）。

2.3 循環系統的設計原理

將一定體積的未經過處理的高濃度苦咸水通入濃溶液極室，再往電極極室（稀溶液極室）通入少量體積的淡水，濃液極室與電極極室存在較大的離子濃度勢差，溶液中陰陽離子分別透過陰陽離子交換膜運動到兩極形成穩定的電勢差，并且通過氧化還原反應產生電子得失，外接負載就有電流產生，濃差電池產生的電能可儲存并利用；將濃差電池反應廢液通入水箱，利用水泵通入反滲透裝置濃液裝置（中心圓極室）進行進一步處理，在濃溶液側施加一個大于滲透壓的壓力時，濃溶液中的溶劑（H2O）會向稀溶液（外圍圓極室）移動，從而達到進一步脫鹽的目的。再將稀溶液一部分通入濃差電池電極極室（不用再往電極極室通入淡水）以供下一個循環，另一部分即可排放，由此組成了苦咸水處理循環系統。

為了便于讀者理解，筆者設計了循環系統裝置如圖3所示。

3 系統的優良性

與傳統的苦咸水工藝相比，該系統進行了2次濃縮脫鹽，提高了苦咸水處理效果；濃差電池正常發電，改變了傳統苦咸水處理過程僅耗能不產能的特點，有效降低了處理過程成本；濃差電池發電過程基本無污染物產生，符合人類對新能源開發倡導的綠色理念。

經過多次實驗，測得苦咸水經過該系統處理效果如表2所示。

同時實驗測得發電單元電壓為2.0 V，電流為11 mA，最大功22 MW，由于濃差電池功率密度與膜面積、苦咸水濃度、離子交換膜性能等多種因素有關，由于知識技術所限，該系統還有許多有待改進的地方，隨著技術進一步成熟，該系統的處理效果與發電量會進一步提高。

4 系統的應用前景

該系統利用了鹽差能發電的原理，結合苦咸水淡化，可以應用于任何富含離子濃度勢差的廢水處理，如火力發電廠廢水、海水淡化等。

參考文獻

[1] 王菁，孟祥周，陳玲，等.苦咸水成因及其淡化技術研究進展[J].甘肅農業科技，2010（7）：39-42.

[2] 呂建國.苦咸水技術研究進展[J].全國苦咸水淡化技術研討論文集，2013（5）：106-109.

[3] 宋序彤，印明善.苦咸水淡化太陽能和電滲析淡化法[M].北京科學出版社，1983.