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电渗析对高盐废水中各组分去除率

作者:洛哈斯水处理 时间:2024-01-16 18:21:41 点击:

电渗析通过外加直流电场使水中的阴阳离子发生迁移并选择性地透过阴阳离子交换膜,从而实现浓缩和脱盐的目的。

进口均相膜电渗析在浓缩效果、能耗和稳定性等方面均优于国产异相膜电渗析,但由于进口设备价格过高,而且电渗析淡水通常无法实现直接回用,因此,电渗析在国内高盐废水零排放领域未得到规模化工程应用。

然而,随着技术的发展,我国部分厂家逐渐掌握了低成本的均相膜电渗析制造技术,从而使电渗析在高盐废水零排放领域的推广应用成为可能。为此,通过研究电渗析对高盐废水的处理效果并掌握运行规律,对于实现电渗析的工程化应用具有重要的指导意义。

由于电渗析只对水中带电荷的离子或组分具有迁移作用,而且迁移效果与电压、膜面积、离子种类等条件有关,为此,笔者通过对高盐废水中不同离子或组分在电渗析中的去除或迁移效果进行试验研究,得到电渗析对不同离子或组分的去除率和迁移率数据,从而为电渗析的工程化应用提供参考。

1、试验部分

1.1 试验装置

试验装置采用日本旭硝子(AGC)品牌的均相膜电渗析,膜对数量为100对,有效膜面积为5.1m2,配套整流器规格为DC60V×20A。试验搭建的中试装置见图1

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1.2 试验方法

本次试验分为3个部分,每个部分的试验步骤如下:

1)在原水箱中注入约80L经过预处理去除硬度和悬浮物的高盐废水,关闭阀门①、③、④,开启阀门②,启动试验装置,通过便携式TDS仪监测淡水侧TDS变化,TDS每降低约10000mg/L取样一次,淡水TDS降低至10000mg/L左右停止取样,测定水样的TDSCl-SO42-NO3-浓度,根据公式①分别计算脱盐率和3种离子的去除率。分析比较Cl-SO42-NO3-的去除率随系统脱盐率的变化趋势。

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式中:η――系统脱盐率或离子去除率,%Ce――电渗析淡水TDS或离子浓度,mg/LCi――电渗析进水TDS或离子浓度,mg/L

2)开启阀门①、③、④,关闭阀门②,通入高盐废水,控制系统在低脱盐率和高脱盐率下连续稳定运行,间隔46h取样一次,并测定水样的TDSCl-SO42-NO3-浓度,根据公式①分别计算脱盐率和3种离子的去除率。根据试验数据分析比较在稳定运行条件下的系统脱盐率和离子去除率。

3)开启阀门①、③、④,关闭阀门②,通入高盐废水,维持系统连续稳定运行,间隔46h取样一次,并测定水样的CODNH4+SiO2浓度,根据公式①分别计算CODNH4+的去除率,根据公式②计算SiO2的迁移率。根据试验数据分析电渗析对CODNH4+SiO2的去除或迁移效果。

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式中:δ――离子迁移率,%Co――电渗析浓水离子浓度,mg/LCi――电渗析进水离子浓度,mg/L

2、结果与讨论

2.1Cl-SO42-NO3-的去除率

试验用高盐废水水质见表1,不同系统脱盐率所对应的各离子去除率见图2

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由图2可见,在任意系统脱盐率下,3种阴离子的去除率大小依次为η(NO3-)>η(Cl-)>η(SO42-)。系统初始脱盐率为16.0%,对应的Cl-SO42-NO3-去除率分别为23.0%12.5%48.1%;系统终点脱盐率为89.5%,对应的Cl-SO42-NO3-去除率分别为97.0%56.3%97.7%

随着系统脱盐率的升高,3种阴离子的去除率总体呈现增加的趋势,但增加的快慢即离子去除速率相差很大。对比发现,3种阴离子去除速率由大到小依次为vCl-)>vNO3-)>vSO42-)。其中,Cl-NO3-去除率随着系统脱盐率的升高而迅速增加,去除速率较大且基本呈线性关系。相比之下,SO42-去除率则呈现不同的结果,当系统脱盐率≤70%时,SO42-去除率几乎没有明显变化,最高只有14.6%,去除速率很低;当系统脱盐率>70%时,SO42-去除率迅速增加,去除速率变大。

3种阴离子去除率和去除速率的不同表明,在电渗析直流电场的作用下,3种阴离子随电流的迁移速率存在明显区别,Cl-NO3-迁移较快,能迅速转移至浓水侧,而SO42-迁移很慢,更多留在了淡水侧。为此,可以利用电渗析的这种特性实现对一价和二价阴离子的分离,在本试验中,控制系统脱盐率为70%左右可以达到最佳的分离效果。

2.2 系统脱盐率与Cl-SO42-NO3-的去除率

低脱盐率和高脱盐率下,电渗析进水、淡水和浓水各指标平均浓度见表2、表3,系统脱盐率和各离子去除率见图3、图4

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由图3、图4可见,两种情况下,系统脱盐率和各离子去除率都较为稳定,可见电渗析系统具有较好的运行稳定性,并可以通过控制电压、电流和膜面积等参数灵活地调节系统脱盐率。平均系统脱盐率为65.6%时,Cl-SO42-NO3-的平均去除率分别为70.8%20.1%81.8%;平均系统脱盐率为82.3%时,Cl-SO42-NO3-的平均去除率分别为87.0%57.3%83.9%。在不同的系统脱盐率下,Cl-SO42-去除率变化较大,而NO3-去除率变化很小,这一点在2.1节不同离子去除率的结论中也可以得到验证。

2.3CODNH4+去除率和SiO2迁移率

系统连续稳定运行后,电渗析进水、淡水和浓水各指标平均浓度见表4CODNH4+去除率和SiO2迁移率见图5

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由图5可见,系统在稳定运行状态下,平均NH4+去除率为68.4%,平均COD去除率为63.8%,去除率不高,平均SiO2迁移率仅为4.7%,表明仅有极少量的SiO2可以迁移至浓水侧,绝大部分仍然留在淡水侧。

由于电渗析只能通过电场迁移带电组分,因此对非电介质SiO2无迁移作用,SiO2只会随水分子极少量地转移至浓水侧,本试验数据与周占明等的研究结果相符合。另外,高盐废水中有机物成分十分复杂,部分离子型有机物可随电流迁移至浓水侧,而另一部分非离子型有机物则留在淡水侧,因此电渗析对COD的去除率与废水中有机物的成分有直接关系。

2.4 电渗析与反渗透参数对比

在高盐废水零排放处理中,电渗析与反渗透的作用都是对浓盐水进行脱盐和浓缩处理。为此,通过将电渗析的试验数据与某煤化工高盐废水零排放项目的高压反渗透(运行压力<100bar)运行数据进行对比,以探讨电渗析在工程上代替高压反渗透的可行性。

电渗析试验数据与高压反渗透运行数据对比见表5

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由表5可知,电渗析除对NO3-的去除率高于高压反渗透外,对其他组分的去除率都明显低于高压反渗透,其系统脱盐率也明显低于高压反渗透,但系统回收率和浓水TDS要高很多。因此,相比高压反渗透,电渗析的脱盐效果较差,但浓缩效果很好。另外,尽管电渗析的系统脱盐率较低,但系统脱盐率的大小可以灵活调节,从而提升了电渗析在不同使用工况下的适应性。

与此同时,电渗析对SiO2没有任何去除效果,使其在淡水侧富集,而高压反渗透对SiO2的去除率很高,使其在浓水侧富集;电渗析对于非离子型有机物没有去除效果,使其留在淡水侧,而高压反渗透对所有有机物都有很高的去除率,有机物几乎都被截留在浓水侧。电渗析的这一特性有效避免了SiO2和有机物在浓水侧富集,从而保证了后续蒸发结晶系统的正常运行,而SiO2和有机物则可以随淡水回流至前端的预处理系统进行去除。

通过综合分析可以看出,电渗析尽管脱盐效果较差,但可以灵活调节系统脱盐率,而且因其具有很高的浓缩效果,以及对SiO2COD的特殊选择性,使其在高盐废水零排放项目中的应用成为可能。

3、结语

1)电渗析对3种阴离子的去除速率从大到小依次为vCl-)>vNO3-)>vSO42-),同一系统脱盐率下的离子去除率从大到小依次为η(NO3-)>η(Cl-)>η(SO42-)。

2)系统脱盐率为69.7%时,对应的Cl-NO3-SO42-去除率分别为82.8%92.0%14.6%,此时对一价阴离子和二价阴离子的分离效果最好。因此,可以利用电渗析的这一特性实现对高盐废水中一价盐和二价盐的初步分离。

3)通过控制电压、电流和膜对面积等参数可以灵活调节系统脱盐率,而且电渗析在不同脱盐率下具有较好的系统稳定性,使其在不同工况下的适应性大大提升。

4SiO2和非离子型有机物均不受电渗析直流电场的影响,平均SiO2迁移率仅为4.7%,平均COD去除率为63.8%

5)对比高压反渗透,电渗析的脱盐效果较差,需要进行二级脱盐,但其浓缩效果很好,平均浓水TDS可达到212912mg/L,远高于高压反渗透的152433mg/L

6)电渗析具有浓缩效果好、系统稳定性较强、系统脱盐率可灵活调节以及不富集SiO2和有机物等优点,具备较好的工程化应用前景。(来源:内蒙古久科康瑞环保科技有限公司)

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