PDF《渗透法处理高盐废水的原理及工艺》

第3】卷第

7 期2OO6年

1 O月 环境科学与管理 ENVI RONM ENTAL SCⅡ CE AND M ANAGEM E NT V

0 1 .

3 1 N0 .

7 Oc t .

2 0

0 6 文章编号:

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9 6 一o

3 渗透法处理高盐废水的原理及工艺 付守琪 , 陈萍 , 罗专溪 (

1 . 2安徽理工大学 资源与环境工程系, 安徽 淮南

2 3

2 0

0 1 ;

3 . 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 , 四川 成都

6 1

0 0

4 1 ) 摘要: 高浓度舍 盐废水的主要 处理 方法有反渗透、 离子交换 、 蒸馏等, 目前处理成本 比较 高.为改 变当前高盐废 水处理成本 居 高不下的现状 , 受渗透的基本原理 启发 , 以分析渗透法处理 高盐废 水的基本 原理为基础 , 提 出渗透 法处理 高盐废 水的新 工艺. 以溶质氨 的设计溶液为例 , 分析高盐废水处理的新工艺流程及 工艺的 可行 性, 并对 比反渗透 工艺, 详细阐述新 工艺的特 点.经计算分析认为 , 基 于渗透原理的高盐废水处理工艺可降低 高盐废 水的处理成 本, 可作为 高含 盐废 水处理 方法的一个新 的研究方向.关键词: 脱盐;

渗透法 ;

工艺 中图分类号: X

5 2 文献标识码 : B 高盐废水可损伤水体的使用价值 , 并威胁人类健康. 如硫 酸盐 的 浓度 超过25on】时,人饮用 时 就会 对人的健 康造成伤害.若高盐废水未处理而外排 , 即浪费水资源又 污染环境.水与国计民生密切关联, 是国家重要的 自然资 源 .因而 , 许多学者 致力于含 盐废 水的去盐 研究 , 并 取得 一 定的成效.如范振强利用组合膜工艺反渗透法研究含 盐废水_

3 J 3;

高旭阔利用电渗析法研究城市污水三级出水回 用于电厂的盐含量的降低【

4 ;

徐匝 阔及王方利用电渗析 和离 子交换相结合的电去离子技术研究水中盐的去除[ ;

王 车礼等 采用减 压膜 蒸馏技 术处理 高含 盐废 水];

姚永毅等利用微滤、 超滤和反渗透三种膜 的集成膜 来研究含盐废水_

8 ;

同时, 利用电渗析和反渗透法研究高 矿化 度矿井 水 中盐 的去 除亦有 诸多研究 . 当前处理高盐废水的主要技术包括: 电渗析法、 反渗 透法 、 蒸馏法以及比较新 的组合工艺法.目前, 反渗透和 电渗析法投资大约为

5 2

8 ―

7 9

3 美元, m

3 ・ d , 运行费用为

0 .

2 6 ―

0 .

5 2美元, m

3 ・ d ;

反渗透投资相对较省 , 运行 费用稍 高, 而电渗析则投资稍高, 运行费用相对低一些;

蒸馏法处 理含盐废水投资为

1 3

2 1 ―2

2 6

8 美元, m

3 ・ d , 运行费用为

1 .

0 6 ―

2 .

1 1 美元, m

3 ・ d ;

可见高含盐废水处理技术费用居高 不下 , 经济效益不好 , 虽 已有许多研究尝试提高其应用价 值,但效果并不显著 , 尚无 良好的应用前景.因此 , 本文以 渗透基本原理出发 , 提出高浓度含盐废水处理的崭新思路 和工艺, 试图改观该类处理技术的经济效益.

1 渗透原理

1 .

1 基本概 念 渗透原理系指在合适 半透膜隔开情况下稀溶液的溶 剂 自发进入至浓溶液中的一种基本原理.对透过 的物质 具有选择性的薄膜称为半透膜.一般将只能透过溶剂而 不能透过溶质的薄膜视为理想 的半 透膜.渗透是溶剂从 稀溶 液一侧 通过半透膜向浓溶液一侧 自发 流动的过 程.这是稀溶液 中溶剂分子的化学位 比浓溶液 中溶剂分子的 化学位高的缘故.可见 , 渗透系由化学位梯度引起的自发 扩散现象.若以淡水为稀溶液, 则渗透进行过程 中淡水一 侧的液面会不断下降 , 溶液一侧 的液面会不断上升 , 直到 两侧液面不再变化, 此时渗透便达到平衡状态.这时 , 两 侧的液面差称为该种溶液的渗透压.溶液的渗透压值根 据溶液中溶质分子数 目而定 , 且与溶液的浓度及溶液的绝 对温度成正 比, 而与溶质的本性无关 , 其数学表达式为 : 丌=i R T c (

1 ) 式中 r 渗透压 , P a ;

R ――理想气体常数, P a ・ L / ( m o l ・ K ) ;

r 溶质 的浓度 , mo i / L ;

卜 绝对 温度 , K;

j ――范特霍夫系数 , 它表示溶质 的离解状态, 其值 等于 l 或大于 l , 当完全离解时 , i 等于阴、 阳离子的总数 , 对非 电解 质i_l .

1 .

2 渗透 原理进 行废水 处理 的理论 分析 从渗透压的表达式(

1 ) 中可见 , 在相同的温度下, 两种 溶液的渗透压受范特霍夫系数 i 和溶质 的摩尔浓度 c 的 影响.范特霍夫系数 i 是极为重要的一个系数.对于强 电解质 , 比如 N a C

1 , N a C

1 =N a +C l ― l l l . 若NaCI在不饱和溶液中完全 电离, 则此时的范特霍 夫系数应该为

2 , 实际上 N a C

1 在水溶液 中并不能完全 电离,即NaCI溶液的范 特霍 夫 系数 应略 小于2;

若对于Na

2 S O 4;

N a

2 S O

4 =

2 N a + S ( ) i 一 收稿 日期 :

2 0

0 6 ―0

6 一加 作者简介 : 付守琪(

1 9

7 9一) , 男,河南新乡人 , 硕士研究生 , 从事水处理研究 . ・

9 6 ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第31卷第

7 期2OO6年1O月付守琪等 ・ 渗透法处理高盐废水的原理及工 艺Vd.31No.7Oc t .

2 0 o

6 即Na2S04在不饱和溶液完全电离 , 则此时的范特霍夫 系 数应该为

3 , 同理 N a

2 S

0 4 溶液的范特霍夫系数也应略小于

3 ;

综合分析各种强电解质 , 则不饱和强电解质溶液的范特 霍夫系数不会大于

4 .对于弱 电解质 , 则不饱和弱电解质 溶液 的范特霍 夫系数应 该大 于1.而 对 于非 电解 质,则不饱和非电解质的范特霍夫系数为

1 .以上分析可 以得出, 在相同温度下, 强电解质溶液的范特霍夫系数应该是弱 电 解质的

1 ~

4 倍之间. 半透膜 ( a ) 半透膜 ( b ) 图1高盐废水渗 透示意图式中,渗透压 与范特 霍夫 系数 i 和溶质的摩 尔浓 度c成正 比关系 .受此启发 , 即可设 计 出一 种新的水 溶液 , 该 水溶液具如下特征 : ①在一定条件下 , 摩尔浓度比较高;

② 在外部条件改变的情况下, 水和溶质较易分离.接下来 , 如图 l 所示 , 在一个容器的中间安装一个合适的半透膜 , 把容器 分成左 右两 个室,在左 室图l(a)中倒入 待处理的高含盐废水 , 在右室图 l ( f t . ) 中加入设计配制的水溶液. 在渗透作用下 , 左室液面下降, 右室液面上升, 最后达到图 l ( b) 所示.高盐废水转变成可接受 、 较易处理的水溶液.

2 高盐废水处理的渗透原理工艺

2 .

1 工艺 流程 根据设计溶液的性质, 可设计出不同的处理工艺.假 设设计溶液在常温下摩尔浓度较高, 则在相对条件下溶质 易从设 计溶液 中挥发 出,如氨的设计 水溶液 .以溶 质氨 的 设计溶液为例 , 详细探讨高盐废水处理的新工艺. 氨气 回用 图2高盐废水处理工艺流程图 设计 的新 处理工艺 流程如 图 2所示 .在 自然 条件 下,该工艺使高含盐废水浓缩 , 同时通过半透膜的作用 , 使水 进入到氨的设计溶液 ( 氨水溶液) 中去.汽提塔将排出的 氨 水溶 液的氨 气提 出回用 , 补充膜反应 器 中氨水溶液 的浓度.从汽提塔出来 的低浓度氨水溶液 , 通过进一步的处 理,可得到高质量出水.同时 , 据处理的高盐废水中的含 盐类型 , 可将有价值 的盐类回收.氨气 是工作气体 , 在处 理过程中循环使用, 需要定期补充.

2 .

2 工艺 理论分 析在1个大气压和

2 0 ℃的条件下, l 体积的水可以溶解

7 0

0 体积 的氨气, 按lmol的气体 .

4 升计算 ,

7 0

0 /

2 2 .

4 >

3 l , 则l升的水至少 可以溶解

3 0摩尔的氨气.以氨水 为 非电解质考虑, 则近似饱和的氨水溶液的渗透压可以近似 表示为

7 c =i R T c :3

0 R T o在相 同的温度下 . 假设强电解质 溶液的范特霍夫系数是氨水的

4 倍,则近似饱和的氨水溶 液的渗透压至少大于

7 m o l / L的强电解质溶液.故理论用 氨水作为设计溶液是符合设计溶液的第一点要求 , 即在常 温下具有很高的摩尔浓度. 由于氨具有较强的挥发性 , 可采用汽提法来分离氨和 水.汽提法是借助废水和通入蒸汽的直接接触 , 使废水中 的挥发性物质按照一定的比例扩散到气相中, 因而把挥发 性的污染物从废水 中分离 出去.据 以往的汽提塔 的运行 数据 , 可把氨的浓度降至

5 0 m g / L .此时氨的溶液在处理上 届于 低浓度溶 液 .进 一步 的处理 方法可有 离子 交换 法、生物脱氮法、 硝化――反硝化法 、 折点氯化法、 催化湿式氧化 法等 .

2 .

3 工 艺的理 论优点 与反渗透工艺相比, 此工艺去掉了高压泵和增压泵这 两个 主要 的耗 能器 件,代之变 成氨水 的汽提 处理 .由 于不 再采用高压, 各种反应、 运行设备 的要求会相对降低 , 同时, 膜的寿命也会相应延长.因此整个工艺投资和运行费 用都会有一定的降低 .与电渗析处理工艺相比, 原水的利 用率比较高.因为氨水的摩尔浓度可以很高, 所以理论上 可 以使 很多盐 溶液达 到饱 和甚至过 饱和 , 根据 浓缩 的盐 不同,还可以对 盐进行 其它 回收 利用.还 可以省 掉 电渗析 处 理工艺 中的极 水、浓水的排 放,是比电渗 析更环保 的一种处理工艺.并且此工艺不存在膜的极化现象.在此工艺 ........