摘要：采用膜蒸餾—電去離子組合工藝處理高鹽廢水，考察了真空膜蒸餾主要參數(shù)對(duì)產(chǎn)水水質(zhì)的影響，以及電去離子過程的處理效果?結(jié)果表明：膜蒸餾熱側(cè)料液溫度和冷側(cè)真空度對(duì)產(chǎn)水水質(zhì)的影響較小，隨著濃縮倍數(shù)的增加，電導(dǎo)率?TOC?硬度上升不大，在濃縮15 倍時(shí)產(chǎn)水電導(dǎo)率為3. 6 μS /cm?硬度為0. 074 mg /L?TOC 為0. 32 mg /L，滿足EDI 對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的要求；自制微型EDI 裝置處理膜蒸餾產(chǎn)水，在電壓為15 V?淡水流量為9. 5 L /h?濃水流量為2. 3 L /h 條件下，產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，電導(dǎo)率為0. 078 ~ 0. 081 μS /cm，完全滿足火力電廠鍋爐補(bǔ)給水的要求?膜蒸餾—電去離子組合工藝，是從高鹽廢水到高純水的全新處理工藝，具有原水適用性強(qiáng)?產(chǎn)水穩(wěn)定?水質(zhì)優(yōu)良的特點(diǎn)，解決好流量匹配以及膜污染等問題則應(yīng)用前景廣闊?

關(guān)鍵詞：膜蒸餾；電去離子；反滲透；高鹽廢水

反滲透作為除鹽的主要工藝，得到十分廣泛的應(yīng)用，然而，反滲透工藝的實(shí)際產(chǎn)水率一般只有75%，約有25%的濃水被排放到環(huán)境中[1，2]，這不僅加重了生態(tài)環(huán)境的高鹽度污染，而且還浪費(fèi)了大量寶貴的水資源?膜蒸餾是近年來發(fā)展起來的一種新型膜分離技術(shù)，與反滲透工藝相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn)[3，4]：膜蒸餾的過程幾乎在常壓下進(jìn)行，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便；膜蒸餾法可以處理極高濃度的無機(jī)鹽水溶液，理論上通過膜蒸餾除鹽的產(chǎn)水率可以達(dá)到100%，而且獲得的水十分純凈，這是現(xiàn)有幾種工業(yè)除鹽技術(shù)難以達(dá)到的?

電去離子（ EDI） 作為一種可以連續(xù)工作的深度除鹽手段，無需化學(xué)再生藥劑，產(chǎn)水水質(zhì)好，水回收率高，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，而且運(yùn)行成本低[5]?然而，EDI 對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求非常嚴(yán)格，預(yù)處理工藝復(fù)雜?為了防止污染樹脂和膜，以及膜面結(jié)垢，保護(hù)膜性能，原水進(jìn)入EDI 系統(tǒng)之前應(yīng)先經(jīng)過濾?吸附?除鹽?軟化等預(yù)處理，目前常用的是兩級(jí)反滲透作為EDI 的預(yù)處理工序[6]?

筆者以反滲透除鹽生產(chǎn)過程中排放的高鹽廢水為原水，采用膜蒸餾—電去離子組合工藝，充分發(fā)揮膜蒸餾和電去離子的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以膜蒸餾為預(yù)除鹽工藝，一方面提高水資源利用率，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，另一方面探討目前高純水生產(chǎn)過程中二級(jí)反滲透的替代工藝?

1 試驗(yàn)部分

1. 1 原水水質(zhì)

試驗(yàn)用高鹽廢水取自某熱電廠反滲透濃水排放口，水質(zhì)參數(shù)如下：總硬度（ 以CaCO3計(jì)） 為1 634mg /L?電導(dǎo)率為3 850 μS /cm?TOC 為12. 5 mg /L?pH 值為8. 1?

1. 2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用真空膜蒸餾方式，自制PVDF 中空纖維膜組件，單膜內(nèi)徑為0. 8 mm?有效長(zhǎng)度為23 cm?平均孔徑為0. 18 μm?孔隙率為85%?有效膜面積約為0. 057 m2?膜組件以及熱側(cè)進(jìn)出水管采用保溫海綿包裹?配套設(shè)備：SHZ - Ⅲ型循環(huán)水真空泵?BT00 - 100M 蠕動(dòng)泵?DK - S24 型電熱恒溫水浴鍋?

自制EDI 裝置，淡水室隔板采用6 mm 厚聚氯乙烯硬塑料板加工而成，外部長(zhǎng)× 寬= 295 mm × 50mm，內(nèi)部長(zhǎng)× 寬= 225 mm × 20 mm；濃水室隔板采用2 mm 厚硅膠板制作；陰?陽電極為不銹鋼材料；離子交換樹脂采用001 × 4 陽樹脂和201 × 4 陰樹脂；淡水室和濃水室均填充混合離子交換樹脂，陰?陽樹脂比例為2 ∶ 1；離子交換樹脂采用3361 - BW陽膜和3362 - BW 陰膜；模塊按一級(jí)三段組裝，有效流程長(zhǎng)度為660 mm；電源采用JWY - 30G 型直流穩(wěn)壓電源?

試驗(yàn)流程如圖1 所示?

1. 3 材料和方法

試驗(yàn)過程中，首先將高鹽廢水加熱到指定溫度，然后打開熱側(cè)循環(huán)泵和冷側(cè)真空泵，調(diào)節(jié)流量到預(yù)定值，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，收集產(chǎn)水?膜蒸餾產(chǎn)水收集到一定量時(shí)，開啟增壓泵，將蒸餾水打入EDI 裝置進(jìn)行深度除鹽?

膜蒸餾過程中檢測(cè)產(chǎn)水總硬度?電導(dǎo)率?TOC?pH 值等水質(zhì)參數(shù)以及真空度?膜通量?溫度等參數(shù)，并及時(shí)排放膜組件底部集水；EDI 過程中主要檢測(cè)產(chǎn)水電導(dǎo)率以及電壓?電流?流量等參數(shù)?

主要檢測(cè)儀器有HSJ - 3F 型實(shí)驗(yàn)室pH 計(jì)?DDS - 307A 型電導(dǎo)率儀?TOC 分析儀?原子吸收分光光度計(jì)等?

2 結(jié)果與討論

2. 1 真空膜蒸餾主要參數(shù)對(duì)產(chǎn)水水質(zhì)的影響

鑒于電去離子對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的較高要求，本文探討膜蒸餾主要參數(shù)對(duì)產(chǎn)水水質(zhì)的影響?

保持流量為14. 5 L /h?冷側(cè)真空度為0. 09MPa，考察熱側(cè)料液溫度對(duì)出水水質(zhì)的影響；在流量為14. 5 L /h?熱側(cè)溫度為75 ℃條件下，考察冷側(cè)真空度對(duì)膜蒸餾性能的影響?結(jié)果表明，熱側(cè)料液溫度和冷側(cè)真空度對(duì)產(chǎn)水水質(zhì)的影響較小，產(chǎn)水電導(dǎo)率穩(wěn)定在2. 4 ~ 3. 3 μS /cm?硬度為0. 027 ~ 0. 052mg /L?TOC 為0. 09 ~ 0. 24 mg /L?pH 值為6. 57 ~6. 89?

在冷側(cè)真空度為0. 09 MPa?原水溫度為75 ℃?流量為14. 5 L /h 的條件下，考察濃縮過程產(chǎn)水水質(zhì)的變化情況，如圖2 所示?可知，隨著濃縮倍數(shù)的增加，產(chǎn)水pH 值基本穩(wěn)定，電導(dǎo)率?TOC?硬度上升不大，在濃縮15 倍時(shí)產(chǎn)水電導(dǎo)率為3. 6 μS /cm?硬度為0. 074 mg /L?TOC 為0. 32 mg /L，滿足EDI 對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的要求（ 電導(dǎo)率< 30 μS /cm?硬度< 1 mg /L?TOC < 1 mg /L） ?

2. 2 電去離子過程

膜蒸餾連續(xù)運(yùn)行收集產(chǎn)水，由于蒸餾水在收集瓶中停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，電導(dǎo)率較新鮮水有所上升，進(jìn)入EDI 電導(dǎo)率的平均值為5. 8 μS /cm，其他水質(zhì)參數(shù)變化不大，硬度為0. 045 mg /L?TOC 為0. 16mg /L?pH 值為6. 72?在淡水流量為9. 5 L /h?濃水流量為2. 3 L /h 的條件下，EDI 模塊電壓—電流曲線及電壓對(duì)產(chǎn)水水質(zhì)的影響見圖3?可知，電流隨電壓的升高增幅逐漸加大，這說明隨著電壓的增大，遷移出淡化室的離子數(shù)增多，同時(shí)，離子交換界面水解離增強(qiáng)，水解離產(chǎn)生的H + 和OH - 一部分負(fù)載電流，另一部分再生淡化室中的離子交換樹脂，使更多的離子解離下來負(fù)載電流，實(shí)現(xiàn)連續(xù)電去離子過程[7]；隨著電壓的升高，EDI 產(chǎn)水電導(dǎo)率逐漸減小，在15 V 時(shí)達(dá)到0. 079 μS /cm，之后在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定，繼續(xù)增大電壓則產(chǎn)水電導(dǎo)率又有所上升，這主要是由于過高的電壓使得同名離子遷移數(shù)增大，說明該模塊最佳操作電壓為15 V，此時(shí)電流密度為31. 8mA/cm2?

在操作電壓為15 V?濃水流量穩(wěn)定在2. 3 ~ 2. 5L /h 條件下，淡水流量與產(chǎn)水電導(dǎo)率的關(guān)系曲線如圖4 所示?可知，隨著淡水流量的增大，膜堆產(chǎn)水電導(dǎo)率上升，這是由于在一定操作電壓下，當(dāng)?shù)髁吭龃髸r(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入淡化室的離子相應(yīng)增加，水的停留時(shí)間減少，脫鹽效率降低?因此，特定的EDI模塊有滿足產(chǎn)水質(zhì)量要求的淡水流量范圍?

在電壓為15 V?淡水流量為9. 5 L /h?濃水流量為2. 3 L /h 的條件下，運(yùn)行時(shí)間與產(chǎn)水電導(dǎo)率的關(guān)系見圖5?可以看出，以膜蒸餾產(chǎn)水為原水，EDI 產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，電導(dǎo)率為0. 078 ~ 0. 081 μS /cm，完全滿足《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（ GB 12145—2008） 中對(duì)鍋爐補(bǔ)給水電導(dǎo)率的要求（ ≤0. 2 μS /cm） ?

2. 3 主要問題

① 技術(shù)成熟問題?膜蒸餾和電去離子是兩種完全不同的膜分離過程，就目前技術(shù)水平，電去離子技術(shù)成熟，已廣泛應(yīng)用，具有產(chǎn)水效率高的特點(diǎn)；而膜蒸餾還處于研究階段，膜通量低，效率也較低，離工程應(yīng)用還有一定的差距，因此，還需進(jìn)一步完善膜蒸餾技術(shù)，使其盡早實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用?

② 流量匹配問題?電去離子產(chǎn)水效率高，膜蒸餾效率較低，在兩者的耦合過程中，解決好水量匹配和運(yùn)行方式的協(xié)調(diào)問題是關(guān)鍵?在試驗(yàn)中，外觀長(zhǎng)× 寬× 高= 295 mm × 50 mm × 50 mm 的EDI 模塊產(chǎn)水量可達(dá)10 L /h（ 總進(jìn)水量為13 L /h，其中濃水和極水為3 L /h） ，與其配套的膜蒸餾裝置則要大得多，按試驗(yàn)平均膜通量為18. 5 L /（ m2·h） ，需要膜面積為0. 7 m2 的組件，與其配套的加熱和冷凝系統(tǒng)也較大?

③ 膜污染問題?在組合工藝中，由于膜蒸餾直接接觸高鹽廢水，膜污染主要發(fā)生在膜蒸餾過程中，其中膜內(nèi)表面的污染物主要是鈣垢[2，8]，因此采取預(yù)軟化和降低原水pH 值等方法以減輕膜的化學(xué)污染?當(dāng)膜通量減少到一定程度，可以通過化學(xué)清洗恢復(fù)膜通量，在工業(yè)應(yīng)用中，疏水膜的干燥問題是膜蒸餾技術(shù)面臨的最大難題[9]?

3 結(jié)論

① 在試驗(yàn)條件下，膜蒸餾熱側(cè)料液溫度和冷側(cè)真空度對(duì)產(chǎn)水水質(zhì)的影響較小，隨著濃縮倍數(shù)的增加，電導(dǎo)率?TOC?硬度上升不大，在濃縮15 倍時(shí)產(chǎn)水電導(dǎo)率為3. 6 μS /cm?硬度為0. 074 mg /L?TOC為0. 32 mg /L，滿足EDI 對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的要求，可以替代目前高純水生產(chǎn)過程中的二級(jí)反滲透?

② 自制微型EDI 裝置處理膜蒸餾產(chǎn)水，電壓為15 V?淡水流量為9. 5 L /h?濃水流量為2. 3 L /h的條件下，產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，電導(dǎo)率為0. 078 ~ 0. 081μS /cm，完全滿足火力電廠鍋爐補(bǔ)給水的要求?

③ 膜蒸餾—電去離子組合工藝，是從高鹽度廢水到高純水的全新處理工藝，具有原水適用性強(qiáng)?產(chǎn)水穩(wěn)定?水質(zhì)優(yōu)良的特點(diǎn)，解決好流量匹配以及膜污染等問題則應(yīng)用前景廣闊?

本文轉(zhuǎn)自“乾來環(huán)保”

原標(biāo)題:膜蒸餾—電去離子組合工藝處理高鹽廢水