电渗析在热电厂反渗透浓水回用中的应用

徐淑伟,来凤堂,陆秀香,薄文文,李树标

(1.山东阜丰发酵有限公司,山东 临沂 276600;2.山东省微生物发酵重点实验室,山东 临沂 276600)

目前,绝大部分热电厂化学水制取采用反渗透技术,一般反渗透产水率为75%,同时产生25%的浓水。在处理回用反渗透浓水方面,主要是依靠高压反渗透系统,此类系统的浓水回收率为50%,最终仍会产生10%～15%的浓水[1],这部分浓水含盐量更高,回收利用难度大,造成水资源浪费,目前主要用于冲洗多介质过滤器。

相较于反渗透技术,电渗析是在直流电场作用下,利用离子交换膜的选择透过性,带电离子透过离子交换膜定向迁移从水溶液中分离出来,从而实现浓缩和淡化溶液的目的[2]。同时,电渗析具有操作连续性、环境污染小和水资源利用率高等优点,在环境、制盐、食品和化工领域方面具有广泛应用[3-7],但电渗析技术在热电厂反渗透浓水的深度处理方面鲜见报道。

1 材料与方法

1.1 实验材料

国内绝大部分热电厂制取化学水采用“一级反渗透+二级高压反渗透”的工艺,其流程如图1所示,一级反渗透产生的浓水由二级高压反渗透回收再利用。实验用水取自一级反渗透浓水(电导率1.5～2.3 ms/cm)和二级高压反渗透浓水(电导率3.5～4.5 ms/cm)。

图1 热电厂化学水制取工艺流程Fig.1 Process flow of chemical water preparation in thermal power plant

1.2 仪器与设备

电渗析设备,山东天维膜技术有限公司提供。

电渗析循环系统设备包括水箱、水泵、流量计和压力表,实验工作电压为14 V,电渗析膜堆10对,膜的尺寸为200 mm×600 mm,电渗析阴阳离子交换膜离子交换量0.9～1.10 mmol/g。

电渗析工作原理是利用离子交换膜对阴/阳离子的选择透过性能,在直流电场的作用下,使阴/阳离子发生定向迁移,从而达到电解质的分离、提纯和浓缩的目的[8-10]。离子交换膜是由高分子材料制成的对离子具有选择透过性的薄膜,主要分阳离子交换膜和阴离子交换膜两种。阳膜由于膜体固定基带有负电荷离子,可选择透过阳离子;阴膜由于膜体固定基带有正电荷离子,可选择透过阴离子。淡水室中的阴离子向阳极方向迁移,透过阴膜进入浓水室,阳离子向阴极方向迁移,透过阳膜进入浓水室,浓水室因阴、阳离子不断进入而浓度提高,淡水室因阴、阳离子不断移出而使浓度下降,通过隔板边缘特制的孔,分别将浓、淡隔室的水流汇聚引出,便产生两股主水流淡化水和浓缩盐水[11]。

1.3 实验方法

1.3.1 一级反渗透浓水电渗析脱盐实验

取热电厂一级反渗透的浓水40 L加入电渗析淡化室水箱,另取10 L浓水加入电渗析浓缩室水箱,开启电渗析设备,测试电渗析对一级反渗透浓水脱盐及产水情况。

1.3.2 二级高压反渗透浓水电渗析脱盐实验

取热电厂二级高压反渗透的浓水30～40 L加入电渗析淡化室水箱,另取5 L加入电渗析浓缩室水箱,开启电渗析设备,测试电渗析对二级高压反渗透浓水脱盐及产水情况。

1.3.3 电渗析脱盐率的测定

在电渗析的脱盐过程中,反映脱盐效果好坏的指标是脱盐率的多少。脱盐率指在去除水中阴、阳离子过程中,减少的量占初始量的百分数[6,12],其表达式为

电渗析产水率表达式为

2 结果和分析

2.1 电渗析对一级反渗透浓水脱盐效果分析

电渗析对一级反渗透浓水脱盐进行了7个批次的实验,实验结果如表1,2所示。

表1 电渗析对一级反渗透浓水脱盐后淡化室实验结果

表2 电渗析对一级反渗透浓水脱盐后浓缩室实验结果

电渗析对浓盐水的脱盐效果与浓盐水初始电导率、电渗析设备的运行时间和流量有关,浓盐水的初始电导率较低,经电渗析脱盐后电导率也比较低,设备运行时流量太低容易造成离子交换膜表面结垢,流量太高脱盐效果变差,故实验中设备运行流量设置为140～200 L/h,同时也可以通过延长设备运行时间确保脱盐效果。

一级反渗透淡化室浓水经电渗析脱盐后电导率从初始1.5～2.0 mS/cm降低到0.4～0.5 mS/cm,因此可以考虑将脱盐后的淡水作为一级反渗透的进水使用。电渗析对一级反渗透浓水脱盐率76%～79%,达到一个较好的脱盐效果。

电渗析淡化室水体积40 L,浓缩室水体积10 L,电渗析淡水产水率80%,最终仅产生体积比例仅为5%的浓水,电渗析在处理一级反渗透浓水在产水率方面优势明显,比二级高压反渗透产水率提高30%。

由于电渗析处理一级反渗透浓水具有较高的脱盐率和产水率,因此可以用电渗析代替二级高压反渗透回收一级反渗透浓水,减少浓水的产生量,工艺流程如图2所示。

图2 电渗析代替二级高压反渗透的化学水制取工艺流程Fig.2 Electrodialysis instead of high-pressure reverse osmosis chemical water production process

2.2 电渗析对二级高压反渗透浓水脱盐效果分析

电渗析对二级高压反渗透浓水脱盐进行了7个批次的实验,实验结果如表3,4所示。

表3 电渗析对二级反渗透浓水脱盐后淡化室实验结果

表4 电渗析对二级反渗透浓水脱盐后浓缩室实验结果

二级高压反渗透淡化室浓水经电渗析脱盐后电导率从初始3.5～4.5 mS/cm降低到1.0 mS/cm左右,电导率稍低于一级反渗透浓水电导率,可以循环到到二级高压反渗透的进水使用。电渗析对二级高压反渗透浓水脱盐率为71%～79%,同样达到一个较好的脱盐效果。

电渗析淡化室水体积30～45 L,浓缩室水体积5 L,电渗析淡水产水率85%～90%,最终产生浓水体积比仅为1%～2%。

为最大限度的提高水资源的利用率,也可以考虑用电渗析继续处理回收二级高压反渗透高盐浓水,工艺流程如图3所示。

图3 电渗析回收二级高压反渗透浓水工艺流程Fig.3 Process flow of electrodialysis to recover high-pressure reverse osmosis concentrated water

3 结 论

由于反渗透设备技术局限性,制取化学水的过程中会产生一定比例的高盐浓水,这部分浓水回收利用难度大,而电渗析技术对一级反渗透浓水或二级高压反渗透浓水的脱盐率达到71%～79%,产水率为80%或更高,电渗析对比反渗透技术在脱盐和产水率方面具有明显优势,因此可以考虑用电渗析代替二级高压反渗透回收一级反渗透的浓水,或在现有二级高压反渗透基础上增加电渗析设备进一步回收二级高压反渗透浓水,能最大限度地减少反渗透浓水产生量,因此电渗析技术在反渗透浓水回用方面具有重大意义。