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對產水水質的影響，以及電去離子過程的處理效果?結果表明：膜蒸餾熱側料液溫度和冷側真空度對產水水質的影響較小，隨著濃縮倍數的增加，電導率?TOC?硬度上升不大，在濃縮15 倍時產水電導率為3. 6 μS /cm?硬度為0. 074 mg /L?TOC 為0. 32 mg /L，滿足EDI 對進水水質的要求；自制微型EDI 裝置處理膜蒸餾產水，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，產水水質穩定，電導率為0. 078 ~ 0. 081 μS /cm，完全滿足火力電廠鍋爐補給水的要求?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?產水穩定?水質優良的特點，解決好流量匹配以及膜污染等問題則應用前景廣闊?

關鍵詞：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，得到十分廣泛的應用，然而，反滲透工藝的實際產水率一般只有75%，約有25%的濃水被排放到環境中[1，2]，這不僅加重了生態環境的高鹽度污染，而且還浪費了大量寶貴的水資源?膜蒸餾是近年來發展起來的一種新型膜分離技術，與反滲透工藝相比具有顯著的優點[3，4]：膜蒸餾的過程幾乎在常壓下進行，設備簡單，操作方便；膜蒸餾法可以處理極高濃度的無機鹽水溶液，理論上通過膜蒸餾除鹽的產水率可以達到100%，而且獲得的水十分純凈，這是現有幾種工業除鹽技術難以達到的?

電去離子（ EDI） 作為一種可以連續工作的深度除鹽手段，無需化學再生藥劑，產水水質好，水回收率高，操作簡單，運行穩定，而且運行成本低[5]?然而，EDI 對進水水質要求非常嚴格，預處理工藝復雜?為了防止污染樹脂和膜，以及膜面結垢，保護膜性能，原水進入EDI 系統之前應先經過濾?吸附?除鹽?軟化等預處理，目前常用的是兩級反滲透作為EDI 的預處理工序[6]?

筆者以反滲透除鹽生產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，充分發揮膜蒸餾和電去離子的技術優勢，以膜蒸餾為預除鹽工藝，一方面提高水資源利用率，保護生態環境，另一方面探討目前高純水生產過程中二級反滲透的替代工藝?

1 試驗部分

1. 1 原水水質

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

1. 2 試驗裝置

試驗采用真空膜蒸餾方式，自制PVDF 中空纖維膜組件，單膜內徑為0. 8 mm?有效長度為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?膜組件以及熱側進出水管采用保溫海綿包裹?配套設備：SHZ - Ⅲ型循環水真空泵?BT00 - 100M 蠕動泵?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× 寬= 295 mm × 50mm，內部長× 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；模塊按一級三段組裝，有效流程長度為660 mm；電源采用JWY - 30G 型直流穩壓電源?

試驗流程如圖1 所示?

1. 3 材料和方法

試驗過程中，首先將高鹽廢水加熱到指定溫度，然后打開熱側循環泵和冷側真空泵，調節流量到預定值，待系統穩定后，收集產水?膜蒸餾產水收集到一定量時，開啟增壓泵，將蒸餾水打入EDI 裝置進行深度除鹽?

膜蒸餾過程中檢測產水總硬度?電導率?TOC?pH 值等水質參數以及真空度?膜通量?溫度等參數，并及時排放膜組件底部集水；EDI 過程中主要檢測產水電導率以及電壓?電流?流量等參數?

主要檢測儀器有HSJ - 3F 型實驗室pH 計?DDS - 307A 型電導率儀?TOC 分析儀?原子吸收分光光度計等?

2 結果與討論

2. 1 真空膜蒸餾主要參數對產水水質的影響

鑒于電去離子對進水水質的較高要求，本文探討膜蒸餾主要參數對產水水質的影響?

保持流量為14. 5 L /h?冷側真空度為0. 09MPa，考察熱側料液溫度對出水水質的影響；在流量為14. 5 L /h?熱側溫度為75 ℃條件下，考察冷側真空度對膜蒸餾性能的影響?結果表明，熱側料液溫度和冷側真空度對產水水質的影響較小，產水電導率穩定在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，考察濃縮過程產水水質的變化情況，如圖2 所示?可知，隨著濃縮倍數的增加，產水pH 值基本穩定，電導率?TOC?硬度上升不大，在濃縮15 倍時產水電導率為3. 6 μS /cm?硬度為0. 074 mg /L?TOC 為0. 32 mg /L，滿足EDI 對進水水質的要求（ 電導率< 30 μS /cm?硬度< 1 mg /L?TOC < 1 mg /L） ?

2. 2 電去離子過程

膜蒸餾連續運行收集產水，由于蒸餾水在收集瓶中停留時間相對較長，電導率較新鮮水有所上升，進入EDI 電導率的平均值為5. 8 μS /cm，其他水質參數變化不大，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—電流曲線及電壓對產水水質的影響見圖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增多，同時，離子交換界面水解離增強，水解離產生的H + 和OH - 一部分負載電流，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載電流，實現連續電去離子過程[7]；隨著電壓的升高，EDI 產水電導率逐漸減小，在15 V 時達到0. 079 μS /cm，之后在一定范圍內穩定，繼續增大電壓則產水電導率又有所上升，這主要是由于過高的電壓使得同名離子遷移數增大，說明該模塊最佳操作電壓為15 V，此時電流密度為31. 8mA/cm2?

在操作電壓為15 V?濃水流量穩定在2. 3 ~ 2. 5L /h 條件下，淡水流量與產水電導率的關系曲線如圖4 所示?可知，隨著淡水流量的增大，膜堆產水電導率上升，這是由于在一定操作電壓下，當淡水流量增大時，單位時間內進入淡化室的離子相應增加，水的停留時間減少，脫鹽效率降低?因此，特定的EDI模塊有滿足產水質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，運行時間與產水電導率的關系見圖5?可以看出，以膜蒸餾產水為原水，EDI 產水水質穩定，電導率為0. 078 ~ 0. 081 μS /cm，完全滿足《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量標準》（ GB 12145—2008） 中對鍋爐補給水電導率的要求（ ≤0. 2 μS /cm） ?

2. 3 主要問題

① 技術成熟問題?膜蒸餾和電去離子是兩種完全不同的膜分離過程，就目前技術水平，電去離子技術成熟，已廣泛應用，具有產水效率高的特點；而膜蒸餾還處于研究階段，膜通量低，效率也較低，離工程應用還有一定的差距，因此，還需進一步完善膜蒸餾技術，使其盡早實現工程應用?

② 流量匹配問題?電去離子產水效率高，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行方式的協調問題是關鍵?在試驗中，外觀長× 寬× 高= 295 mm × 50 mm × 50 mm 的EDI 模塊產水量可達10 L /h（ 總進水量為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，膜污染主要發生在膜蒸餾過程中，其中膜內表面的污染物主要是鈣垢[2，8]，因此采取預軟化和降低原水pH 值等方法以減輕膜的化學污染?當膜通量減少到一定程度，可以通過化學清洗恢復膜通量，在工業應用中，疏水膜的干燥問題是膜蒸餾技術面臨的最大難題[9]?

3 結論

① 在試驗條件下，膜蒸餾熱側料液溫度和冷側真空度對產水水質的影響較小，隨著濃縮倍數的增加，電導率?TOC?硬度上升不大，在濃縮15 倍時產水電導率為3. 6 μS /cm?硬度為0. 074 mg /L?TOC為0. 32 mg /L，滿足EDI 對進水水質的要求，可以替代目前高純水生產過程中的二級反滲透?

② 自制微型EDI 裝置處理膜蒸餾產水，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，產水水質穩定，電導率為0. 078 ~ 0. 081μS /cm，完全滿足火力電廠鍋爐補給水的要求?

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?產水穩定?水質優良的特點，解決好流量匹配以及膜污染等問題則應用前景廣闊?

本文轉自“乾來環保”

原標題:膜蒸餾—電去離子組合工藝處理高鹽廢水